Experiencias de cátedra para la docencia en Física

1 Facultad de Ciencias Trabajo Fin de Máster Máster En Profesor De Educación Secundaria Obligatoria Y Bachillerato, Formación Profesional Y Enseñanzas De Idiomas EXPERIENCIAS DE CÁTEDRA PARA LA DOCENCIA EN FÍSICA Autor: David González Vegas Tutora: Ana María Grande 2 3 «Largo es el camino de la enseñanza por medio de teorías; breve y eficaz por medio de ejemplos», Séneca 4 5 RESUMEN Los experimentos de cátredra en física son aquellas experiencias que realiza el profesor en clase con el fin de complementar su explicación teórica. En asignaturas con un marcado carácter experimental, como lo son la Física y la Química, es fundamental que los alumnos puedan relacionar la teoría con la experiencia. De este modo, su aprendizaje es mucho mejor, más profundo, además de hacer la clase mucho más amena y motivadora. En este trabajo se presentarán una serie de experiencias de cátedra, centradas principalmente en el curso de Física de 2º de Bachillerato, concretamente en la parte de electromagnetismo. ABSTRACT Physics demonstrations are those experiences the teacher performs in class with the goal of complement the theoretical explanations. In subjects with a marked experiment character, like Physics and Chemistry are, it is fundamental than students can relate theory with experience. Therefore, their learning will be better, deeper and the class will be much more motivating and enjoyable. In the present work a series of demonstrations will be presented, focused in Physics of 2nd of Bachelor’s degree, specifically in the part of electromagnetism. 6 Índice 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 7 2 DIDÁCTICA DE LOS EXPERIMENTOS DE CÁTEDRA .............................................................. 9 2.1 Dificultades en la enseñanza-aprendizaje de la Física y Química en Secundaria........ 9 2.2 Experimentos De Cátedra .......................................................................................... 12 3 ÍNDICES PIRA y UCB ........................................................................................................... 15 3.1 Índice PIRA ................................................................................................................. 15 3.2 Índice UCB .................................................................................................................. 17 4 EXPERIMENTOS ................................................................................................................. 19 4.1 Introducción............................................................................................................... 19 4.2 Electrostática ............................................................................................................. 21 4.3 Magnetismo ............................................................................................................... 41 4.4 Inducción Electromagnética ...................................................................................... 52 5 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................... 62 6 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 63 7 1 INTRODUCCIÓN El presente Trabajo de Fin de Máster tiene como objetivo principal elaborar un catálogo de experiencias de cátedra para que sirva como recurso didáctico en la docencia de la Física en 2º de Bachillerato. Es interesante saber qué es una experiencia de cátedra y en qué va a consistir la lista que se va a hacer en el presente trabajo. Experiencia de cátedra es, por definición, un recurso docente que consiste en la realización de experimentos y demostraciones en el aula durante las clases magistrales. Sirve para que, durante el transcurso de las clases, se puedan ilustrar los principios y conceptos que se estén tratando en clase. Además de procurar de este modo un aprendizaje más significativo para el alumno, se despierta el interés y la motivación, aspectos muchas veces igual o incluso más importantes que el propio estudio. Esto significa que las experiencias de cátedra son ayudas que utiliza el profesor, principalmente el profesor de ciencias, para apoyar sus explicaciones teóricas en pequeños experimentos que apoyen esa explicación. De este modo, se intenta lograr un mejor aprendizaje por parte de los alumnos. Por otro lado, dentro de las experiencias de cátedra que voy a presentar, todas van a estar dirigidas al curso de Física de 2º de Bachillerato, concretamente, en la parte de electromagnetismo. ¿Por qué me he encuadrado aquí? El curso de Segundo de Bachillerato es el primer curso donde la Física y la Química separan sus caminos. Durante toda la ESO y Primero de Bachillerato, la asignatura correspondiente es Física y Química, por lo que en verdad la Física ocupa solo la mitad del curso –muchas veces incluso menos–. Por lo tanto, en Física de Segundo se ve por fin una Física con un nivel bastante avanzado, que permite una mayor profundidad del temario, permitiéndonos tener un mayor abanico de posibilidades en cuanto a las experiencias. Algunas de las experiencias que veremos se podrían presentar perfectamente en cursos anteriores, dado el carácter circular del temario, donde muchas veces se ven una y otra vez los mismos contenidos en los sucesivos cursos. El motivo de centrarme únicamente en la parte de electromagnetismo es el poder cubrir todo el temario de una parte, puesto que cubrir todo el temario completo es demasiado 8 amplio –recordemos que, grosso modo, el temario de Segundo de Bachillerato presenta cinco grandes bloques: gravitación, electromagnetismo, ondas, óptica y física moderna –. Así, habría dos maneras de hacer este trabajo: trabajando solo una parte y tratando de cubrir el temario de una forma prácticamente completa o trabajando todo el temario, haciendo experimentos de todos los bloques, pero dejando todas las partes incompletas –siempre teniendo en cuenta que, con completo o incompleto me refiero a que haya experimentos asociados a todo el contenido que establece la ley–. En el presente trabajo hemos optado por elegir la primera opción, buscando asociar cada parte del currículo con una serie de experimentos. Del otro modo parecería que damos más prevalencia a unos contenidos que a otros, dado que no podrían entrar todos. Entonces, en este trabajo buscaremos completar la parte de electromagnetismo del temario de Segundo de Bachillerato con experimentos de cátedra asociados. Cada experimento se presentará mediante una ficha donde, además del material que se necesita y las instrucciones para realizarlo, se encuadra cada experimento dentro de la parte del temario correspondiente. 9 2 DIDÁCTICA DE LOS EXPERIMENTOS DE CÁTEDRA Este capítulo está dedicado por completo a la didáctica, en concreto a la didáctica de la Física y la Química encuadrada en la Secundaria. En primer lugar, presentaré y trataré las mayores dificultades que se presentan cuando se enseñan estas asignaturas, poniendo especial énfasis en el epicentro del problema: la experimentación. Como solución a dicho problema surgirán los experimentos de cátedra. Así, para concluir el capítulo, hablaré sobre los experimentos de cátedra en general como recurso docente. 2.1 Dificultades en la enseñanza-aprendizaje de la Física y Química en Secundaria La enseñanza de la física y la química presenta una serie de problemas, algunos de los cuales son comunes a todas las asignaturas y otros son inherentes únicamente a las asignaturas de ámbito científico y tecnológico. Los problemas que son comunes a todas las asignaturas son la falta de horas para los docentes que deriva en que los profesores no puedan preparar las clases adecuadamente; los inabarcables temarios, que hacen que los temas se tengan que ver más rápido de lo deseable en la mayoría de los casos; los continuos cambios legislativos, que provocan confusión en todos los estratos de la comunidad educativa; clases muy numerosas, que muchas veces tiene como consecuencia que la convivencia en la clase sea más complicada de lo que ya de por sí debería ser… [Pro] No obstante, más importantes son, a mí parecer, los problemas exclusivos de la enseñanza de la Física y la Química. Estos problemas tienen que ver con el carácter experimental de estas asignaturas. Algunos de estas dificultades en la enseñanza están relacionados con los anteriormente expuestos para todas las asignaturas. Por ejemplo, está el problema del tiempo para dar todo el temario. Este problema es común para todas las asignaturas. Sin embargo, es más problemático en el caso concreto de la Física y la Química, puesto que estas asignaturas deben –o al menos deberían– tener un respaldo en la experiencia y el laboratorio que es intrínseca a las mismas. El aumento de la problemática está en que el temario de Física y Química es igual de extenso que el de otras asignaturas y, por ello, existe un tiempo similar para dar el temario. Pero no se tiene en cuenta que en la Física y la Química se debería tener un tiempo dedicado en exclusiva al laboratorio. Y ahí radica el problema. Si se emplea parte del tiempo en hacer experiencias, puede que haya que dar el temario más rápido para recuperar 16 7 Física moderna 8 Astronomía 9 Equipamiento Después, la letra y el siguiente número subdividen cada rama en distintas subcategorías. La letra, por ejemplo, dividiría la parte de electromagnetismo en: A. Electroestática B. Campo eléctrico y potencial C. Capacidad D. Resistencia E. Fuerza Electromotriz y corriente F. Circuitos CC G. Materiales magnéticos H. Campos y fuerzas magnéticas I. J. Inductancia K. Inducción electromagnética L. Circuitos CA M. Semiconductores N. Radiación electromagnética Y el siguiente número dividiría la parte de electrostática en: 10 Producir carga estática. 20 Ley de Coulomb. 22 Medidores de electrostática. 30 Conductores y aislantes. 40 Carga inducida. 50 Máquinas electrostáticas. 17 El último número corresponde por fin al experimento en concreto. Así, el experimento 5A10.20 correspondería al electróforo. 3.2 Índice UCB Toda la información relacionada se encuentra en: http://berkeleyphysicsdemos.net/. El índice UCB es desarrollado por la Universidad de Berkeley, de los Estados Unidos. La estructura para denominar un experimento es como sigue: Letra+Número+Número. La letra índica qué parte de la física es la que trata el experimento. Las diferentes ramas serían: A-Mecánica B-Ondas C-Propiedades de calor y materia D-Electromagnetismo E-Óptica F-Física moderna y contemporánea G-Astronomía y percepción Después, el primer número que aparece divide cada una de estas categorías principales en diferentes subcategorías. La parte que a nosotros nos interesa, la de electromagnetismo iría de la siguiente manera: 0 Capacidad 5 Oscilaciones electromagnetismo 10 Electrostática 15 Ley de Faraday 20 Inductancia 25 LCR Relación de Fase 18 30 Campo Magnético 35 Propiedades Magnéticas 40 Medidores 45 Motores 50 Osciloscopios 55 Resistencia 60 Estado sólido y semiconductores 65 Emisión termoiónica 70 Termoelectricidad 75 Transformadores 80 Células voltaicas 85 Electrólisis El último número corresponde al experimento en concreto que sea. Así, por ejemplo, el experimento D+10+8 sería de electromagnetismo (D), concretamente de la parte de electrostática (10). Y el 8 correspondería al experimento en concreto, en este caso sería un electróforo. 19 4 EXPERIMENTOS 4.1 Introducción La siguiente colección de experimentos de cátedra tiene como objetivo servir a cualquier profesor de Física de Segundo de bachillerato en su labor docente y completar sus explicaciones. Esta colección intenta cubrir todo el temario de Segundo de Bachillerato en cuanto al bloque de electromagnetismo. Los contenidos del temario de Segundo –de electromagnetismo– es el siguiente: Figura 4-1. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 Algunas de las experiencias pueden utilizarse en otros cursos, tanto anteriores como posteriores, pero la base es esta. Buscando una mayor simplicidad y una mejor visibilidad, los experimentos se presentarán mediante unas fichas en las que se expondrá todo lo necesario para llevar a cabo el experimento. El ejemplo sería el siguiente: NOMBRE DEL EXPERIMENTO Nombre del Experimento, así como su referencia en los índices PIRA y UCB. También se incluirá las referencias en las que nos hemos apoyado para elaborar la ficha. RESUMEN Breve descripción de en qué consiste el experimento. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) En este apartado encuadramos los contenidos que se trabajan con la experiencia con los contenidos del propio del temario, recogidos en el BOCYL. FUNDAMENTO TEÓRICO Pequeña explicación teórica del fundamento físico detrás de la experiencia. 20 MATERIAL • Lista de materiales necesarios para poder hacer la experiencia. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Instrucciones prácticas para la realización del experimento. 21 4.2 Electrostática NOMBRE DEL EXPERIMENTO Carga por frotamiento, contacto e inducción. PIRA – 5A10.1X. UCB – No aparece. [Freier] [Meiners] [Sprott] [Sutton] RESUMEN Mostrar las tres diferentes formas de cargar un cuerpo. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) El temario correspondiente a la carga de los cuerpos como tal se encuentra fuera del temario de Segundo de Bachillerato, se vería en cursos previos. Sin embargo, es interesante como una forma de recordar los conceptos previos y comenzar el tema de electrostática hacer estos experimentos tan básicos, pero a la vez tan fundamentales sobre la carga de los cuerpos. FUNDAMENTO TEÓRICO Hay tres formas básicas de electrizar un cuerpo: frotamiento, contacto e inducción. Frotamiento (efecto triboeléctrico): Cuando frotamos dos cuerpos, el que tiene una mayor tendencia a captar electrones arranca electrones del cuerpo con menor tendencia a ello, quedando uno cargado con carga negativa (el primero) y otro con carga positiva (el segundo). En la imagen adjunta se muestra la escala de cómo quedarían cargados los cuerpos si los frotásemos, la llamada serie triboeléctrica. Contacto: si ponemos en contacto un cuerpo conductor con un cuerpo cuya carga es no nula la carga se transferirá de uno a otro, quedando ambos cargados con carga de igual signo. Inducción: cuando se acerca un cuerpo cargado a otro, sin llegar a hacer contacto, debido a la atracción electrostática de la carga del cuerpo cargado, las cargas del cuerpo neutro se redistribuirán, quedando las del signo opuesto más cercanas al objeto cargado y las de signo Figura 4-2. Ejemplo serie triboeléctrica. Imagen sacada de [Castillo]. 22 contrario quedando más alejadas. Así, el cuerpo adquiere una distribución de carga inducida. Si quisiéramos hacer que el cuerpo quedase cargado de forma permanente, deberíamos conectar a tierra dicho cuerpo. MATERIAL • Electróforo. • Electroscopio. • Plástico (polipropileno). • Paño de lana. • Hilo. • Bola conductora. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Para la carga por fricción, simplemente tenemos que frotar el paño de lana con el plástico. Como la lana está más arriba en la serie triboeléctrica, ésta quedará cargada positivamente y el plástico negativamente. Si acercamos el electroscopio comprobaremos la existencia de carga. Utilizando el electróforo, tocaremos una bola conductora para cargarla. En el momento en que entran en contacto, la bola se carga con la misma carga que el electróforo, repeliéndose ambos. (Vídeo adjunto). Por último, teniendo el electróforo cargado, usamos el electroscopio para comprobar si existe carga sin que haya contacto entre el electroscopio y el electróforo. La separación entre las láminas del electroscopio se deberá a la carga inducida en el propio electroscopio por la carga del electróforo. 23 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Electróforo. PIRA – 5A10.20. UCB – D+10+18. [Freier] [Hilton] [Meiners] [Sutton] RESUMEN Construcción de un electróforo, aparato con el que podemos generar carga por inducción. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) La construcción de un electróforo no se puede encuadrar directamente dentro de los contenidos de la Física de Segundo de Bachillerato. Sin embargo, de cara a futuras experiencias es importante contar con uno, puesto que es necesario para algunas de las referidas a la parte de electrostática, parte que sí está en los contenidos de electrostática. FUNDAMENTO TEÓRICO ¿Cómo logramos que el electróforo adquiera carga? Para ello necesitamos un par de materiales adicionales además del propio electróforo: un paño de lana y un plástico portafolios. El funcionamiento es muy sencillo. Apoyamos el plástico sobre una superficie y frotamos dicho plástico con el trapo de lana. El plástico, por frotamiento, adquirirá una cierta carga (a). Después, debemos apoyar el electróforo sobre el plástico. Al apoyarlo, la carga del plástico inducirá una redistribución en la carga de nuestro electróforo (b). Si conectamos a tierra la parte superior del electróforo, por ejemplo, tocando la superficie conductora del mismo, lo que haremos es que la carga que estaba acumulada en ese lado se transfiera a tierra (c). Una vez quitamos la tierra –dejamos de tocar el electróforo–, y si cogemos el electróforo por el mango aislante, lo que tenemos es un disco cargado, como se muestra en (e). MATERIAL • Papel de aluminio • Cartón • Bolígrafo Bic Figura 4-3. Esquema de la carga de un electróforo. [Avison] 24 • Pegamento • Paño de lana • Hoja de plástico DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Recortamos un círculo de cartón de unos 20 – 25 cm. Dicho cartón lo recubrimos totalmente de papel de aluminio, tratando de que quede lo más plano posible dicho recubrimiento. El electróforo se hace mejor –más funcional– con un disco de un material conductor completamente. Se pega en el centro del circulo una varilla de un material aislante, en nuestro caso, la carcasa de un bolígrafo, y el electróforo ya estaría listo. Figura 4-4. Electróforo casero construido para la realización de experimentos. 25 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Electroscopio. PIRA – 5A22.XX. UCB – D+10+8. [Bilash] [Hilton] [Sutton] RESUMEN Construcción de un electroscopio, instrumento con el cual podemos detectar la presencia de carga eléctrica. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) La construcción de un electroscopio no se puede encuadrar directamente dentro de los contenidos de la Física de Segundo de Bachillerato. Sin embargo, de cara a futuras experiencias es importante contar con uno, puesto que es necesario para algunas de las referidas a la parte de electrostática, parte que sí está en los contenidos de electrostática. FUNDAMENTO TEÓRICO El funcionamiento del electroscopio se basa en la Ley de Coulomb, esto es, en que cargas de distinto signo se atraen y cargas de igual signo se repelen. Cuando la varilla de cobre esté cargada eléctricamente, esta carga eléctrica pasa también a la lámina de aluminio y, al tener los dos lados de la lámina igual carga, veremos las láminas separarse. También podemos detectar carga sin que sea necesario tener conectada la parte superior del electroscopio a una carga, es decir, para poder detectar carga a distancia, vamos a utilizar el fenómeno de la inducción. La parte superior del electroscopio en nuestro caso es una esfera de un material conductor. En el momento cuando se acerca una cierta carga al electroscopio, las cargas del interior del electroscopio se reorganizan debido a la carga externa; la carga de distinto signo a la carga externa se situará en la parte más cercana a la carga externa y la carga del electroscopio más alejada de la carga externa –la carga que se va a acumular en las láminas de aluminio del electroscopio– será la de signo igual a la de la carga externa. De esta manera, las láminas del electroscopio tendrán una cierta carga y, por lo tanto, se repelerán. En el momento en que alejemos la carga externa el electroscopio volverá a su posición inicial. MATERIAL • Hilo conductor (estaño en nuestro caso) • Recipiente cerrado • Lámina de aluminio 32 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Campanas de Franklin. PIRA – 5A40.2X. UCB – No aparece. [Meiners] [Sutton] RESUMEN Vamos a hacer que una esfera conductora oscile entre dos cilindros de material también conductor debido a la repulsión electrostática. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) El fundamento de las campanas de Franklin reside en la repulsión electrostática y, por lo tanto, en la Ley de Coulomb. Así, los contenidos que se ven en este experimento, aunque no estén explícitamente en el temario, son: carga por contacto y repulsión electrostática, es decir, Ley de Coulomb. Por su vistosidad y sencillez es muy interesante de cara a que los alumnos puedan replicarlo en su casa. FUNDAMENTO TEÓRICO Partimos de dos recipientes metálicos, uno de los cuales cargaremos, distribuyéndose esta carga por su superficie (A). El otro recipiente estará conectado a Tierra (B). Entre ambos recipientes se suspende una esfera metálica. La esfera será atraída por (A), hasta el punto de que haya contacto entre ambos. En ese momento, la esfera adquirirá carga por contacto y la fuerza repulsiva entre la esfera y (A), hará que la esfera se dirija a (B). Al estar (B) conectado a tierra, al entrar en contacto, la esfera transferirá su carga a tierra, repitiéndose el proceso. Al repetirse una y otra vez el proceso, se producirá un campaneo al chocar sucesivamente la esfera con los recipientes metálicos –de ahí el nombre de experimento–. MATERIAL • Dos latas de refresco. • Generador de estática. • Bola de material conductor (pequeña). • Barra de material aislante. • Pegamento. Figura 4-10. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 33 • Hilo. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Colocamos la barra aislante sobre las dos latas de refresco, estando estas a una distancia no muy grande. En el centro de la barra aislante pegamos el hilo al que sujetamos en su extremo la bolita de material conductor. Para optimizar el proceso, en la zona donde golpeará la bolita en las latas deberíamos quitar lo máximo que podamos la pintura, para que cuando choque la bola con la lata haya contacto entre metales. Una de las latas la conectamos a tierra y la otra lata la conectamos a un generador de estática. En ese momento, empezarían a sonar las campanas de Franklin. Figura 4-11. Montaje del experimento. TIERRA 34 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Mapeado de las líneas de campo eléctrico con sales Epsom. PIRA – 5B10.4X. UCB – D+10+2. [Sutton] RESUMEN Obtención de una representación de las líneas de campo eléctrico rociando el área entre dos cargas eléctricas con sales Epsom. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-12. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 En esta experiencia vemos la primera parte del bloque de interacción electromagnética, relacionada con el campo eléctrico y las líneas de campo. FUNDAMENTO TEÓRICO Si situamos dos cargas cargados situadas a una cierta distancia, éstas generaran un cierto campo eléctrico en el espacio alrededor. El campo que se genera sería similar a este, siendo ambas cargas de signo contrario: Figura 4-13. Esquema campo creado por un dipolo eléctrico. Recuperado de: https://lamanobionica.wordpress.com/2012/12/24/la-importancia-de-ser-ferroelectrico/dipolo-electrico-lineas-campo/ Para visualizar este campo, usamos cristales de sal de Epson (Sulfato de Magnesio). ¿Por qué este material? Porque las sales de Epson tienen una gran facilidad para polarizarse. Así, cuando entran dentro de un campo eléctrico, estas sales se polarizan y se orientan en el sentido del campo. El experimento se puede hacer de igual forma usando otro tipo de sustancias, como semillas, con propiedades similares. 35 MATERIAL • Papel de aluminio. • Generador de estática. • Sal de Epsom (Sulfato de Magnesio, MgSO4.7H2O) DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Pegamos dos tiras circulares de aluminio de aproximadamente 1 cm de diámetro en una superficie plana de vidrio. Estas tiras de aluminio debemos conectarlas a un generador de estática, de modo que estén constantemente cargadas con una cierta carga. Si rociamos con pequeños cristales de epsom, golpeando ligeramente el vidrio para ayudar a la distribución de los cristales, estos harán el campo eléctrico «visible». 36 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Generador de Van der Graaff. PIRA – 5A50.30. UCB – D+10+20. [Avison] [Bilash] [Freier] [Sprott] RESUMEN Aparato electrostático que es capaz de acumular grandes cantidades de carga de una esfera metálica hueca. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-14. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 El funcionamiento de este aparato se puede encuadrar dentro de la parte del temario que habla de campo y potencial eléctricos. Los experimentos que se pueden hacer con el Van der Graaff son muy vistosos, por lo que son una buena forma de motivar a los alumnos. FUNDAMENTO TEÓRICO En un generador simple, la simple fricción entre la polea y la correa genera una cierta carga en ambos materiales, carga de distinto signo. Suponiendo que la polea ha adquirido carga negativa, el peine metálico (H), conectado a tierra, se carga positivamente por inducción. Esto es porque la polea cargada negativamente repele electrones del peine a tierra, dejando el peine de cobre cargado positivamente. Esta carga positiva se deposita en la correa aislante, quedando la carga ahí debido a que el material no es conductor. Así es como subimos la carga hacia arriba a través de la correa. Una vez la carga positiva ha subido a la parte superior del Van der Graaff, el peine superior se carga positivamente Figura 4-15. Esquema de un Van der Graaff. Recuperado de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm 37 (G). Así, como el peinge superior se carga positivamente, la esfera del Van der Graaff queda cargada positivamente (estando la acumulación de carga positiva en la parte exterior de la esfera). MATERIAL • Motor. • Dos poleas. • Correa de material aislante • Peines de hilos de cobre • Esfera hueca de material conductor DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Hay una serie de experiencias sencillas que se pueden realizar con el generador. Una de ellas (alumno eléctricamente cargado) está una ficha independiente. El resto se exponen brevemente a continuación: • Arco disruptivo: utilizando el electrodo de descarga del Van der Graaff –esfera metálica con un mango aislante conectada a tierra, es decir, potencial cero–. Si acercamos este electrodo lo suficiente al generador existirá una diferencia de potencial superior a la que el aire es capaz de soportar, produciéndose la ruptura dieléctrica del aire y apareciendo una serie de pequeños rayos. • Viento eléctrico: al acercar una vela al Van der Graaff, la llama de la vela se curva debido a la carga. ¿Por qué? Es debido a la interacción entre la carga del Van der Graaff y los iones en la llama. La principal reacción que se produce en una llama es CH* + O → HCO+ + eEn esa reacción, el ion HCO+ cede rápidamente un protón a una molécula de agua mediante la reacción HCO+ + H2O → H3O+ + CO Generándose de esta manera el ion H3O+, el más abundante en la llama, siendo este ion quien sufre la interacción electromagnética del Van der Graaff. [García Molina] • Molinete eléctrico: colocamos el molinete eléctrico en el Van der Graaff mediante un soporto. Los brazos se cargarán y las puntas de los brazos ionizan el aire alrededor. Debido a que estas partículas son repelidas, se produce la fuerza que hace que gire el molinete. 38 Cazos voladores: colocamos una serie de cazos metálicos –los moldes utilizados en repostería servirían– apilados en la parte superior del generador. Al encenderlo y adquirir carga, estos se cargarán también y surgirá una fuerza de repulsión, que hará que los cacillos salgan volando uno a uno. 39 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Alumno eléctricamente cargado. PIRA – No aparece. UCB – No aparece. [Sutton] RESUMEN Cargar a un estudiante electrostáticamente. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-16. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 Este experimento se puede encuadrar dentro de la parte del temario que habla del campo y el potencial electrostáticos. Este experimento es muy visual y llama poderosamente la atención del alumno, con lo que se puede aumentar la motivación y el interés del alumno por la asignatura. FUNDAMENTO TEÓRICO El fundamento donde se apoya este experimento es en la carga de los cuerpos por contacto. Cuando dos medios conductores están en contacto, la carga eléctrica se distribuye por la superficie de ambos. En este caso, como el generador de Van der Graaff estará cargado, el alumno en contacto con el generador adquirirá la carga del mismo, repartiéndose por la superficie de su cuerpo. En la zona donde haya pelos, el efecto será mucho más visible. El cabello –sobre todo si es fino–, adquirirá carga. De hecho, se acumulará más carga que en otras zonas del cuerpo, debido al efecto punta. Así, todo el cabello del alumno estará cargado y, además, con carga del mismo signo. Por ello, el pelo se eriza y se pone de punta, debido al efecto de la interacción electrostática de los cabellos entre ellos. MATERIAL • Generador de Van der Graaff. 40 • Superficie aislante. • Alumno DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Con el generador apagado y descargado, hacemos que el alumno se sitúe sobre una superficie aislante y entre en contacto con el Van der Graaff. Es importante que durante toda la experiencia el alumno no suelte el generador. Una vez están en contacto ambos, se enciende el generador. La carga se distribuirá por el generador y por el alumno, poniendo sus pelos de punta. 41 4.3 Magnetismo NOMBRE DEL EXPERIMENTO Magnetización. PIRA – 5G20.61. UCB – No aparece. [Meiners] [Sutton] RESUMEN Vamos a magnetizar una aguja de acero utilizando un imán permanente. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-17. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 En esta experiencia, que puede servir como introducción al magnetismo –recordemos que segundo de Bachillerato es el primer curso donde se ve con profundidad este tema–, se encuadra dentro de la primera parte referida al magnetismo, donde se tratan los fenómenos magnéticos y la experiencia de Oersted. FUNDAMENTO TEÓRICO Partimos de una aguja de acero, que es un material ferromagnético. Un material ferromagnético es aquel que está dividido en dominios magnéticos, que son distintas regiones del material cuyos momentos magnéticos están alineados en una determinada dirección. En un principio, cada dominio tendrá el momento alineado en una dirección que no tiene por qué estar alineado en la misma dirección que el dominio vecino. En conjunto, el material no presentará momento magnético, puesto que los diferentes momentos magnéticos de cada material se anularán entre sí. Sin embargo, si hacemos que el material ferromagnético se encuentre en el seno de un campo magnético, los diferentes momentos magnéticos de los distintos dominios magnéticos orientarán su momento magnético en la dirección del campo y, por tanto, el material adquirirá un momento magnético total; el material ha sido magnetizado. MATERIAL 48 Con dirección perpendicular a ambos conductores. Si metemos el campo que produce el conductor 1 en el 2, la fuerza resultante, por unidad de longitud será: 𝐹1→2 𝑙=𝐼2𝜇0𝐼1 2𝜋𝑟 Siendo idéntica la fuerza que hace 2 sobre 1. La dirección de la fuerza es, tal y como hemos dicho antes, perpendicular a ambos conductores en la línea que une ambos, pero, ¿cuál es su sentido? Debemos fijarnos en (*), que es la expresión de un producto vectorial. La dirección de la fuerza se aprecia mejor con un esquema, donde se ve claramente como surge la fuerza a través de la regla de la mano derecha: Figura 4-23. Las corrientes de igual sentido se atraen y las de sentidos contrarios se repelen. Como vemos en la Figura 4-20, cuando la corriente es del mismo sentido en ambos conductores, la fuerza es atractiva y, cuando la corriente circula en sentidos opuestos, la fuerza es repulsiva. MATERIAL • Láminas de aluminio –u otro material conductor–. • Soportes. • Cable de cobre • Generador de corriente • Reóstato DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Construimos el circuito de tal modo que una parte del mismo tenga las dos láminas de aluminio paralelas entre sí. Dependiendo de si hacemos que las láminas se encuentren conectadas en paralelo o en serie en el circuito –siempre estando ambas paralelas entre sí–, la corriente circulará en el mismo sentido en ambas o en sentidos contrarios, pudiendo 49 apreciar las dos situaciones posibles, aquella en que las fuerzas son atractivas y aquella en que las fuerzas son repulsivas. Los circuitos se muestran en los siguientes esquemas: Figura 4-24. Esquema del montaje experiencia fuerza entre láminas. Recuperada de: [Avison], pág 288. El motivo de introducir un reóstato no es otro que el de poder controlar la intensidad que tenemos circulando por las láminas. 50 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Motor simple usando una pila y un imán de neodimio. PIRA – 5H40.70. UCB – D+45+8. [Meiners] [Sutton] RESUMEN Acoplando un imán a una pila y con uno o varios conductores, vamos a hacer que esos conductores den vueltas alrededor de la pila y el imán, creando un motor simple. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-25. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 Con esta experiencia vemos la parte del temario correspondiente al campo magnético y las líneas de campo, que es de hecho lo que se ve en el experimento. FUNDAMENTO TEÓRICO El fundamento de este pequeño motor reside en la fuerza que experimenta una corriente eléctrica en el un seno de campo magnético. Esta fuerza es: 𝐹 =𝐼𝑙×𝐵 󰇍  El imán genera un campo magnético como se indica en la figura siguiente: Figura 4-26. Esquema del motor homopolar. Recuperado de: https://www.areatecnologia.com/electricidad/motor-homopolar.html 51 La corriente circula por el conductor, perpendicular al campo, por lo que surge una fuerza que es la que produce la rotación del sistema. MATERIAL • Pila. • Imanes de neodimio. • Hilo conductor. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA En la parte inferior de la pila, colocamos los imanes de neodimio. Después, colocamos los conductores de tal modo que el circuito se cierre por el polo positivo de la pila y por los imanes. En el momento en que cerremos el circuito, el sistema empezará a rotar. 52 4.4 Inducción Electromagnética NOMBRE DEL EXPERIMENTO Corriente inducida por la variación del flujo magnético. PIRA – 5K10.20. UCB – D+15+X. [Sutton] RESUMEN Dos espiras de cobre, una conectada a un generador (primaria) y otra conectada a un galvanómetro (secundaria). Al variar el flujo que pasa por la espira primaria, generamos una fuerza electromotriz inducida en la secundaria. Comprobamos que, efectivamente, una corriente variable en la espira primaria genera un campo magnético variable, dando lugar a una variación del flujo magnético que atraviesa la espira secundaria. Así, según la Ley de Faraday, se induce una fuerza electromotriz inducida en la segunda espira. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-27. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 En esta experiencia vamos a tratar la inducción electromagnética. Por lo tanto, también se estudian los conceptos de flujo magnético y la Ley de Faraday. Además, dada la geometría del sistema, vemos también el campo creado por una espira y un solenoide. FUNDAMENTO TEÓRICO El campo creado por una espira es: 53 Figura 4-28. Esquema del campo producido por un solenoide. Recuperado de http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/39/html/princips.html El sistema que tenemos montado es tal y como se muestra en el siguiente esquema: Figura 4-29. Esquema del experimento. [Sutton], Pág 341 La fuerza electromotriz inducida sigue la ley de Faraday-Lenz: 𝜀=−𝑑  𝑑𝑡 Siendo  el flujo total que atraviesa la segunda espira. Es decir, la fuerza electromotriz surge cuando existe una variación del flujo magnético que pasa por la segunda espira. En el presente caso, esta variación se producirá cuando la intensidad del campo varíe, debido a que la intensidad de corriente que pasa por la espira primaria (P) varíe, subiendo o bajando. Otra posible situación donde se produciría una variación del flujo sería dejando estable la intensidad que pasa por la espira primaria y producir un movimiento relativo entre las dos espiras. MATERIAL • Dos espiras/solenoides. • Generador de corriente. • Galvanómetro. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 54 Una de las dos espiras la conectamos al generador de corriente y la otra la conectamos al galvanómetro. Las situamos ambas a una cierta distancia, no muy alejadas. Cuando encendemos el generador, vemos que en los momentos cuando la corriente está variando, el galvanómetro marca una cierta intensidad inducida. Eso es porque cuando está variando la intensidad de corriente, el campo magnético generado por la espira primaria es variable, por lo que varía el flujo que pasa por la segunda espira y, por lo tanto, se genera una fuerza electromotriz inducida. 55 NOMBRE DEL EXPERIMENTO Ley de Lenz. PIRA – 5K10.20. UCB – D+15+0. [Sutton] RESUMEN Acercaremos y alejaremos alternativamente un imán a dos espiras, una con un corte y otra cerrada. Al acercar o alejar el imán a la espira cerrada, esta se moverá también. Sin embargo, en el caso de la espira abierta, no sucederá nada. PARTE DEL TEMARIO TRATADO (CON RESPECTO AL BOCYL) Figura 4-30. Contenidos del temario de 2º de Bachillerato. BOCYL‐D‐08052015‐5. EDU/363/2015 En esta experiencia vamos a tratar la inducción electromagnética, principalmente la Ley de Faraday-Lenz. Además, dada la geometría del sistema, vemos también el campo creado por una espira. FUNDAMENTO TEÓRICO La ley de Faraday-Lenz, se expresa mediante: 𝜀=−𝑑  𝑑𝑡 En este experimento, vemos dos cosas: Por un lado, que la fuerza electromotriz se produce por la variación de flujo magnético. El flujo se define como:  =∫𝐵 󰇍  𝑑𝑆  De forma sencilla, el flujo magnético es la cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una superficie. La razón de que la espira abierta no interaccione con el imán es que 56 al no estar cerrada, estamos interrumpiendo el camino por donde debería circular la corriente inducida. Por otro lado, en la Ley de Faraday-Lenz, hay un signo menos, que de hecho corresponde a la ley de Lenz, que viene a decir que la fuerza electromotriz inducida tiende a oponerse a la causa que la induce. Así, si nosotros acercamos un polo norte a la espira cerrada, el flujo magnético estará aumentando y, en la espira se inducirá una fuerza electromotriz tal que tenderá a reducir ese aumento del flujo. ¿Cómo? La corriente inducida en la espira creará un campo magnético; en un lado de la espira las líneas de campo saldrán –como en un polo norte de un imán– y en el otro lado, las líneas entrarán –como en un polo sur–.En la parte más cercana al imán se inducirá un «polo norte» y en la parte más alejada del imán se inducirá un «polo sur», de tal modo que entre el imán y la espira se producirá repulsión, produciéndose movimiento en la espira. Figura 4-31. Esquema de la corriente inducida en una espira debido al movimiento de un imán. Recogida de: www.freepng.espng-g7f6vfdownload.html Si acercamos y alejamos el imán sucesivamente conseguiremos un balanceo en la espira. MATERIAL • Espira cerrada. • Espira abierta. • Soporte. • Imanes de neodimio. • Hilo. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA El montaje de la práctica es como se indica en la siguiente figura: 57 Figura 4-32. Esquema del montaje del experimento.Recuperado de http://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/72.09.html El sistema se construye con las espiras sujetas por dos hilos y no un solo hilo para que cuando haya movimiento, éste no sea de rotación. En una de las dos espiras, debemos hacer un corte, de modo que la espira no esté completamente cerrada, es decir, que no sea completamente una circunferencia. Con el sistema cerrado, acercamos y alejamos el imán. Si lo hacemos en la espira que está abierta, no sucederá nada. Sin embargo, si lo hacemos con la espira cerrada, ésta empezará a oscilar, por lo expuesto anteriormente. 64 [Andrea]De Andrea González, A., Gómez Gómez, A. El aprendizaje significativo y funcional: una herramienta metodológica en la física de segundo de bachillerato. Pinto Cañón G. y Martín Sánchez, M. (Eds.). Enseñanza y divulgación de la Física y la Química. Madrid. Editorial IberGarceta. [Pozo] Pozo, J. I., Gómez, M. A., (1998). Aprender y enseñar ciencias. Ed. Morata S.L.. [Jiménez] Jiménez, M. P., Caamaño, A., Oñorbe, A., Pedrinaci, E., de Pro., A., (2003). Enseñar ciencias. Ed. Graó. [Pro] de Pro Bueno, A., (2003). Algunas reflexiones sobre la enseñanza y el aprendizaje de la Física y de la Química. Dpto. Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Murcia [Velasco] López Velasco, J., Lupión Cobos T., Mirabent Martínez, A. Situación actual de la enseñanza de la física y de la química en la educación secundaria: “estado crítico”. Pinto Cañón G. y Martín Sánchez, M. (Eds.). Enseñanza y divulgación de la Física y la Química. Madrid. Editorial IberGarceta. 6.3 Otros ORDEN EDU/365/2015, de 4 de Mayo, por la que se establece el currículo y se regula la implantación, evaluación y desarrollo de bachillerato en la Comunidad de Castilla y León. BOCYL‐D‐08052015‐5. 6.4 Páginas Web: • http://berkeleyphysicsdemos.net/ • http://www.pira-online.org • https://sales.physicsdemos.com/