Experiencias particulares en clases de física. Ph.D. (c) Patricia Abdel Rahim Licenciada en Física, Especialista en Ciencias Físicas, Maestría en Ciencias Físicas.

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ÍNDICE

1. Introducción. 2. Una breve historia del nacimiento sobre la física mecánica. 2.1Tema: Física Mecánica. 2.2 Presentación. Lectura. 3. Estudio del movimiento en dos dimensiones con catapultas. 3.1 Tema: Movimiento en dos dimensiones 3.2 Presentación. 3.3. Introducción. 3.4 La clase. 3.5. Conclusiones 3.6 Bibliografía 3.7 Anexos. 4. El carro de Newton. 4.1. Primera propuesta de clase. 4.2. Tema: Mecánica y conservación de la energía. 4.3. Presentación. 4.4. Laboratorio. 4.5. Conclusiones. 5. Una forma de enseñar las tres leyes de Newton. 5.1. Tema: Leyes de Newton. 5.2. Presentación. 5.3. Metodología. 5.4. Primera propuesta diagnostica. 5.5. Segunda propuesta diagnostica. 5.6. Clase Magistral. 6. Estudio de un dispositivo eléctrico empleado para almacenar energía en forma de carga. 6.1 El capacitor. 6.2 Presentación. 6.3. Metodología. 6.4 La clase 6.5 Laboratorio la Botella de Leyden. 6.6. Construcción de la Botella de Leyden. 6.7 Conclusiones de la práctica. 6.8 Bibliografía. 7. Estudio del magnetismo a partir del altavoz. 7.1 Tema: El Amperímetro. 7.2 Presentación. 7.3 Metodología. 7.4 Primera situación problema. 7.4.1 Construcción del electroimán. 7.4.2. Adaptación de un segundo imán. 7.5 Terminar de construir el Amperimetro. 7.6 Conclusiones.

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8. Aplicaciones de la ley de Ampère. 8.1 Calculo del campo magnético terrestre. 8.2 Presentación. 8.3 Metodología. 8.4 Laboratorio. 8.5 Conclusiones. 8.6 Bibliografía 9. Estudio del campo magnético y inducción de FEM usando el altavoz. 9.1 Tema. 9.2 Presentación. 9.3 Introducción. 9.4 Metodología. 9.5 Laboratorio. 9.6 Conclusiones. 9.7. Bibliografía. 10. Estudio del campo magnético a partir del funcionamiento del motor eléctrico 10.1 Tema. 10.2 Presentación. 10.3 Marco pedagógico. 10.4 Introducción. 10.5 Lectura propuesta (momento 2). 10.6 Taller de laboratorio. 10.7 Resultados obtenidos. 10.7.1 Resultados del Taller. 10.7.2 Resultados del laboratorio. 10.8 Conclusiones. 10.9 Bibliografía. 11. Carro impulsado por levitación magnética. 11.1 Tema. 11.2 Presentación. 11.3 Metodología. 11.4 Conclusiones. 11.5 Bibliografía. 12. Bibliografía.

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1. Introducción En cada una de las instituciones educativos colombianas, se habla de "Calidad de Educación", donde se entiende por calidad de educación cuando existe coherencia entre la práctica y la teoría. Albert Einstein, habla al respecto en sus autobiográficas" señala: Si bien parecía que a través del pensamiento puro era posible lograr un conocimiento seguro sobre los objetos de la experiencia, el milagro descansaba en un error. Más, para quien lo vive por primera vez, no dejaba de ser bastante maravilloso que el hombre sea siquiera capaz de lograr, en el pensamiento puro, un grado de certidumbre y pureza como el que los griegos nos mostraron por primera vez en la Geometría. Cuando a los diecisiete años ingrese en el politécnico de Zurich como estudiante de matemáticas y física, me encontré con excelentes profesores (Hurwitz, Minkowski), de manera que realmente podría haber adquirido una profunda formación matemática. Yo, sin embargo, me pasaba la mayor parte del tiempo trabajando en el laboratorio de Física, fascinado por el contacto directo de la experiencia (EINSTEIN, Albert. Notas Autobiográficas. Madrid: Alianza Editorial, 1994. Pág. 24, 25). Así, como "la Calidad de la Educación" esta expresada por medio de la relación entre la teoría y la práctica, también se debe dar en todas las actividades expresiones y áreas del conocimiento, por lo cual, "la Calidad de la Enseñanza" de la física debe ser soluciones, desarrollar la capacidad creativa y la posibilidad de elegir de manera consciente y autónoma en distintos aspectos de la vida, de tal manera que los individuos alcancen cierto poder de decisión sobre sus vidas, con la convicción, el deseo y los conocimientos necesarios que les permitan incidir en el entorno. Por esta razón se necesita dentro del campo de la física que los estudiantes piensen con lógica sobre el modo en que las cosas se comportan en la naturaleza, que la memoria sea utilizada únicamente sobre algunos hechos y conclusiones relacionados con la naturaleza, ya que la principal tarea será la de razonar sobre el comportamiento que se espera en situaciones nuevas. ¿Qué es en realidad pensar? Cuando al recibir impresiones sensoriales emergen imágenes de la memoria, no se trata aún de pensamiento. Cuando estas imágenes forman secuencias cada uno de estos eslabones evoca, otro, sigue sin poder hablar de pensamiento. Pero cuando una determinada imagen reaparece en muchas de estas secuencias se torna, precisamente en virtud de su recurrencia, en elemento ordenador de tales sucesiones, conectando secuencias que de suyo eran inconexas. Un elemento semejante se convierte en herramienta, en concepto. Tengo para mí que el paso de la asociación libre o del soñar del pensamiento se caracteriza por el papel más o menos dominante que desempeñe ahí el concepto. En rigor no es necesario que un concepto vaya unido a un signo sensorialmente perceptible y reproducible (palabra); pero sí lo está, entonces el pensamiento se torna incomunicable (Ibid). A pesar de que la matemática como área del conocimiento desempeña un papel organizador, formalizador de las ciencias es necesario que la enseñanza de ella y de la física, se utilicen métodos diferentes correspondientes a sus objetivos de estudio sin descuidar que no son completamente diferentes, y que es la práctica la que conduce a obtener excelentes resultados. ”La destreza tanto física como mental toman tiempo en desarrollarse y no pueden se almacenados el día anterior a los exámenes, se necesita de un trabajo continuo y sostenido si se quiere alcanzar el conocimiento de la física." (BUECHE, F. Fundamentos de Física. México: Editorial McGraw-Hill, 1994).

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Las estrategias pedagógicas a nivel universitario se encuentran en un dilema ya que lo tradicional es dictar las clases en forma magistral, convirtiéndose en un entrenamiento de habilidades o un fortalecimiento de la información de manera condicionada. Pero la educación necesita de la construcción del conocimiento como resultado de las interacciones entre la experiencia sensorial y la razón, dualidad que debe ser considerada como una sola entidad. Para los Psicólogos Constructivistas Sara Pain (1987), Esther Pillar Grossi (1990), Alicia Fernandez (1990), consideran que el aprendizaje intervienen varias instancias: la intelectual o lógica, la simbólica o dramática, el cuerpo y el organismo. "Para aprender los seres humanos colocan en interacción: su organismo individual heredado, su cuerpo constituido espinalmente, su inteligencia construida en interacción con otros seres humanos y su deseo que está siempre relacionado a otro ser humano. El aprendizaje es un proceso de vinculación, en otras palabras, para entender es necesario además de dos personas (la que enseña y la que aprende) un vínculo que se establece entre ambos, siendo en el interior de este vínculo humano donde se produce el aprendizaje. Esta gestación del proceso se produce precisamente en los primeros vínculos del niño con la madre, con el padre y con los hermanos" (ASIMOV, Isaac. Historia de la Ciencia Madrid: Editorial Brugera, 1978). En los procesos de aprendizaje a los estudiantes se les debe estimular para que siempre pregunten, al mismo tiempo que las debe responder por iniciativa propia y de acuerdo con su capacidad para reinventar experimentando y descubriendo cosas. El profesor debe dar ejemplo de inversión creando situaciones problema, a llevarlos a reflexionar sobre sus propias conclusiones y a percibir sus errores o fallas como aproximaciones a al verdad. Las actividades educativas siempre deben organizarse en las necesidades específicas de cada carrera y por tanto, en el interés del alumno de buscar soluciones, al problema que se les propone. El alumno debe actuar sobre objetos y el medio ambiente para alcanzar su objetivo. En la universidad los contenidos programáticos de física están propuestos de acuerdo a la carrera. El profesor es el que permite al alumno aprender y el alumno también desea aprender. Esta nueva dinámica dada al acto educativo se fundamenta en un tipo de relación profesor-alumno, basado en el respeto mutuo, en la cooperación, en el manejo de los puntos de vista, en una creciente autonomía del educando, en al medida que éste pueda llegar a ella. La importancia de la experiencia del profesor es de gran ayuda para conocer el desarrollo de los educandos, sus limitaciones y sus posibilidades, sólo mediante este conocimiento el cuerpo del profesor puede dosificar no sólo el conocimiento, sino la problemática en general de tal manera que mediante el equilibrio pueda lograr que llegue a resolver problemas sin tanta facilidad que permita que se pierda el interés, y sin tanta dificultad que los lleve a la frustración. El éxito de la implementación del enfoque constructivista en la educación depende principalmente del conocimiento que alcancen los docentes, lo que exige estudio y actitud autocritica por parte del profesor. Ya que es preciso que él, a todo momento este reflexionando sobre sus actos verificando si son coherentes con los supuestos previos de la teoría que los fundamenta". (Ibid) En conclusión, es necesario comprender no sólo el concepto de aprendizaje si no también se debe imponer cambios en la concepción de la educación, de sus objetivos, de la dinámica pedagógica, de la postura del profesor y de la relación maestro-alumno.

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En el sentido estricto la actividad del aprendizaje no es una actividad individual, sino interpersonal, en la que interactúan con el maestro, con los compañeros, con la comunidad local, y con una cultura social e históricamente constructiva. Esa interacción permitirá al docente comprender como razona sus estudiantes en diferentes momentos, que están en capacidad de comprender, que conocimientos puede esperar de el, como comprender los contenidos que la carrera le ofrece, cómo evolucionan y maduran sus ideas. No olvidemos que la construcción del conocimiento no solo consiste en un proceso de adquisición de información procedente del los contenidos programáticos de cada carrera sino del medio en el cual interactúa y se produce una reorganización de esta última. Estas experiencias que les ofrece su diario vivir y con los contenidos que le ofrece sus diversos docentes en sus diversas materias el arma su nuevos conceptos sobre los cuales se hace un profesional, de ahí la responsabilidad de nosotros los docentes para con los estudiantes. Este texto muestra 10 proyectos de clase que los estudiantes de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas han realizado con los estudiantes de Sistematización de Datos de la misma Universidad. Realizada por cada estudiante practicante durante un semestre académico. Los estudiantes que realizan la práctica docente elaboran un proyecto de clase basado en los temas que se desarrollan en el plan de trabajo de física mecánica y electromagnética. Estos estudiantes no están comprometidos con ninguna escuela pedagógica sus experiencias docentes están fundamentadas no solo en la forma en que sus profesores de las diferentes áreas les han transmitido el conocimiento si no también de las que les ha sido propia bajo su experiencia. Dada la complejidad conceptual de la física a este nivel para los estudiantes, no esta demás en los proyectos de clase ser experiencia y demostrativo a los temas que podría ofrecerles la versatilidad de cada individuo en su manifestación y poder de trasmitirlos. Toda oportunidad que precise una mejora sustancial en el aprehenderse de conocimiento será humildemente un paso más a la imaginación y el entendimiento del saber por donde se debe agotar la riqueza de la enseñanza. Cada proyecto es elaborado de manera particular por cada estudiante practicante debido a que por iniciativa propia planean la forma como desarrollarían el tema escogido. La duración de preparación es 3 meses y dos semanas y se les da al final del semestre un tiempo de dos a seis horas de clase para desarrollarlo. En su mayoría los estudiantes que realizan la practica docente emplean las pruebas diagnosticas para tomarlo como base del nivel de conocimiento de tema de los estudiantes, luego la forma como desarrollaron la clase fue: un laboratorio, una clase magistral con taller, una clase magistral con pequeñas experiencias demostrativas, etc y finalmente obtienen las conclusiones y reflexiones sobre como se hubiera trabajado mejor el proyecto, siendo finalmente su aprendizaje como estudiante practicante. Cuando el proyecto no funcionaba se le propone al estudiante practicante que la complete con otra actividad y en su mayoría utilizan el diseño de programas que visualicen lo que ellos querían mostrar, y como los estudiantes a quien se les trasmiten el conocimiento son de la carrera de sistematización de

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datos estos quedan muy entusiasmados. Otros por falta de tiempo quedan como avance para que otro estudiante practicante lo complete. 2. Una breve historia del nacimiento de la física mecánica. 2.1. Tema: Física mecánica. 2.2. Realizada por: Patricia Abdel docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. El trabajo consistía en realizar una lectura en clase para luego comentar sobre los aspectos más relevantes. Esta sesión puede durar 2 horas de clase. 2.3. El primer destello del conocimiento. Cuando el hombre empezó a gatear y luego a dar sus primeros pasos, lo hizo en aquellos tiempos que se borran con el manto oscuro de la prehistoria. La aparición del lenguaje escrito, permitió registrar los datos de manera permanente, transmitirlos y proporcionarlos de generación en generación. He aquí una de las más importantes consideraciones hacia aquellos primitivos antepasados cuyo ingenio dio lugar a que las futuras civilizaciones tuvieran un lugar mejor donde vivir. El hombre de la prehistoria antes que nada fue un trabajador técnico, y no un científico puro, ya que la alimentación, el abrigo y la seguridad se consideraban un problema de inmediata solución. No se puede determinar en que momento se inició el cultivo de la tierra y más aún el cultivo tecnológico, la construcción de sistemas de irrigación. Pero siempre existieron y existirán diques de ignorancia y fanatismo que se dieron y cederán ante la experiencia y la educación. Qué pensarían aquellos hombres sentados ante la luz de la luna, en una de las posiciones favoritas de aquellas sociedades sin las comodidades que brinda la época, familiarizados con las estrellas, sus movimientos y apariciones no podían explicárselo, pero si les permitieron conocer la regularidad en determinados fenómenos físicos, determinar la periodicidad, elaborar calendarios, determinar direcciones, crear la aritmética y dotar de poderes sobrenaturales los cuerpos celestes. Es importante para el ser humano la luna ya que sin ella posiblemente el hombre no existiera, los continentes habrían seguido vacíos. La vida se inició en el mar hace más de tres millones de años y al menos en el ochenta por ciento de toda su historia en este planeta siempre permaneció allí, luego ella se traslado a las capas superficiales del océano, y únicamente por la facultad de selección y de supervivencia logró colonizar las zonas adyacentes: ocupando los abismos, llegando a los ríos y a los lagos, entrando y asciendo en la tierra y en el cielo. El hecho y la circunstancia de entrar a tierra firme debió ser de una trascendencia tal para la vida marina; como lo es para la nuestra la superficie lunar. Que enorme cuadro debió ser mirar a esa criatura marina, dotada ya de alguna “inteligencia” y con la capacidad suficiente de aterrarse con el terrible panorama y acción de la gravedad, el brusco cambio de la temperatura, a la necesidad de conservar el líquido vital por un ambiente esencialmente no líquido, a la eterna obligación de extraer oxígeno de un ire seco y desecante en lugar de una benigna solución líquida. (ASIMOV, Isaac. Historia de la Ciencia. Madrid: Editorial Bruguera, 1978) Pero regresemos a esa criatura marina, que emergió del mar, con traje terrestre repleto de agua en su interior, con garfios mecánicos para servirle de ayuda contra la gravedad, aislamiento contra los cambios de temperatura, etc. Pero hace quinientos millones de años, no se disponía de tal tecnología que le

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permitiera conquistar la tierra firme. Tan sólo lo pudo hacer con el paso de cientos o de miles de generaciones, hasta que le fue posible vivir en la tierra sin necesidad de protección. La vida se extendió hacia los bordes del océano, donde el agua del mar, dos veces por día, las precipitaba contra las laderas continentales y volvían a retroceder. Y miles de algas, anélidos, crustáceos, moluscos y peces seguían el movimiento de esas mareas. Algunos ejemplares eran abandonados en las costas al retirarse el mar, y de ellos sobrevivían unos pocos, porque, por la razón que fuera, se mostraron más capaces de soportar la pesadilla de la existencia terrestre hasta que retornaba el agua, reparadora y vivificante. Las existencias que se adaptaron a la duración temporal del periodo en tierra firme, medido desde el momento en que el agua los abandonaba y regresaba por medio de las mareas, originó un cierto grado de supervivencia, adquirido al desarrollar la capacidad de resistir las condiciones terrestres durante fracciones de tiempo cada vez mayores. Al fin, evolucionaron especies que podían permanecer en tierra indefinidamente y de esta manera la vida vegetal empezó a verdear las costas de los continentes, aparecieron caracoles, arañas e insectos aprovechando de este nuevo medio alimenticio. Hace cuatrocientos millones de años, algunos de los peces se arrastraron sobre prominencias, recién formadas en las llanuras repletas de fango. Pero este hecho no fue tan fortuito, completando la colonización sólo a causa de las mareas, lo que los condujo a establecer una ecología que sería parte integral de los mismos. Y las mareas, claro está son producidas por la luna, el sol también las origina, pero de un volumen tres veces menor que la causada por la luna, en nuestros días. Ese baño alternativo de agua salada producido por el sol; habría representado una corriente menos poderosa hacia la tierra y, todo lo más, habrá llevado a la colonización de los continentes en una época muy posterior al que se le debió a las mareas de la luna. Fue entonces hace cientos de millones de años en realidad, en que la luna estaba más cerca de la tierra y las mareas eran muchísimo más potentes, lo que llevó a la colonización de tierra firme. El hombre a diferencia de los animales los superó al utilizar su cerebro como algo más que la simple rutina diaria de obtener comida y de burlar a sus enemigos. El hombre debió aprender a gobernar su ambiente, a observar, a generalizar y a crear una tecnología, y para aguzar su mente hasta estos extremos empezó a numerar y a medir, puesto que sólo a través de la numeración y de la medida pudo ir captando la noción de un universo que debía ser comprendido y manipulado. Pero necesitaba de algo que lo impulsara a contar, de la misma manera que había necesitado de algo para llegar a tierra firme. Debía tener en cuenta algo regular que pudiera comprender, en algo periódico que le permitiera predecir el futuro y apreciar la capacidad del intelecto, buscando un orden sencillo que se repitiera por ciclos simples, tal como el día y la noche. El concepto de tiempo debió aparecer cuando uno de esos seres empezó a tomar conciencia de que el sol saldría por el este después de haberse ocultado por el oeste, esto condujo al nacimiento del concepto de tiempo, en lugar de su simple tolerancia pasiva, seguramente esto significó el principio de la medida del tiempo, tal vez, la medida de cualquier cosa, al poder establecer un hecho diciendo que ocurrió tantos amaneceres atrás o que iba a ocurrir tantos amaneceres después. Pero la luna, con esa fascinación de forma variable, despertó en el hombre primitivo grandes sentimientos dependiendo de su posición. La desaparición lenta del cuarto de luna cuando emergía con el sol naciente y la aparición de una nueva luna con el resplandor solar del ocaso puede haber proporcionado a la humanidad el empuje inicial a la noción de muerte y de reencarnación que se encuentra en la base de tantas civilizaciones.

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Stonehenge, pudo haber sido un observatorio primitivo en calidad de dispositivo inmenso para predecir con exactitud los eclipses lunares. Alexander Marshak, pudo comprobar que se trataban de lugares donde establecían calendarios primitivos que indicaban las lunas nuevas. Las mareas lunares hicieron posible al hombre como ser físico, las fases de la misma lo transformaron en un ser intelectual, ya que de su vigilancia nació el cálculo y la generalización, las matemáticas, la astronomía y posiblemente la religión. “La religión después de todo, es la ocupación seria de la raza humano y, siempre, desde la edad neolítica la humanidad ha estado mirando a las estrellas buscando las respuestas a estas dos preguntas fundamentales: Cómo Y porqué?” (TOYNBEE, Arnold. Estudio de la historia. Barcelona: Aries Editores, 1975). cerebro humano es la más estupenda masa de materia organizada del universo conocido, y su capacidad de recibir, organizar y almacenar datos supera ampliamente los requerimientos ordinarios de la vida. Se ha calculado que, durante el transcurso de su existencia un ser humano puede llegar a recibir más de cien millones de datos de información. Algunos consideran que este dato es mucho más alto. El

Pero este exceso de capacidad puede conducir al ser humano a una enfermedad sumamente dolorosa el aburrimiento, ya que el mismo colocado en la situación de utilizar su cerebro sólo para su misma supervivencia, experimentará una diversidad de síntomas desagradables que lo pueden conducir a una desorganización mental. Por lo tanto, lo más importante es que el ser humano sienta una intensa curiosidad, la cual desde la antigüedad viene reflejada en los mitos y en las leyendas: Entre lo griegos se mantenía la de Pandora, la primera mujer, quien recibió de los dioses una caja, que tenía prohibido abrir, naturalmente por su condición de mujer se apresuró a abrirla, saliendo de ella, toda clase de males, enfermedades, hambre, odio y otros obsequios del maligno, quienes desde entonces asolaron el mundo. En la Biblia, la curiosidad de Eva, no necesitaba de la serpiente para que la tentara, la misma tentación salía sobrando, ya que la naturaleza de Eva le hubiera permitido probar el fruto prohibido, porque el árbol debió tener solamente un letrero que le señalara: curiosidad. El deseo de conocer conduce a una serie de sucesivos reinos cada vez más etéreos y a una mayor ocupación de la mente, desde la facultad de adquirir lo simplemente útil, hasta el conocimiento formal, recreándose en lo estético. Por sí mismo el conocimiento busca resolver cuestiones como. ¿A que altura está el firmamento? o ¿Por qué cae una piedra? Esto es la curiosidad pura, la curiosidad en su aspecto más estéril y tal vez por ello el más perentorio, después de todo no sirve más que al aparente propósito de saber a que altura está el cielo y porque caen las piedras. No obstante siempre ha habido personas que se han interesado en contestarlas sólo por el puro deseo de conocer, por la absoluta necesidad de mantener el cerebro trabajando. En la antigüedad el conocimiento era el resultado de la inspiración en las musas o en la revelación de los cielos, por ejemplo el rayo destructivo era considerado como un arma que debía de ser lanzada por un ser de grandes poderes y por eso el trueno es el martillo de Thor y el rayo es la centelleante lanza de Zeus. Las fuerzas de la naturaleza fueron deificadas y los mitos influyeron a lo largo de la historia. Mientras el universo estuviera bajo el control de los dioses tan arbitrarios y con reacciones tan imprevisibles, no había posibilidad de comprenderlo; sólo podía existir la remota esperanza de aplacarlo. Pero para los pensadores griegos, el Universo era una máquina gobernada por leyes inflexibles y así se entregaron desde entonces al excitante ejercicio intelectual de tratar de descubrir hasta que punto existían realmente las leyes de la naturaleza.

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El primero en afrontar este empeño según la tradición griega, fue Thales de Mileto hacia el año 600 a. de J.C., a pesar del enorme número de descubrimientos que se le han atribuido, es muy posible que hubiera sido el primero en llevar al mundo de los helenos, el abandonado conocimiento babilónico. Su hazaña más espectacular consistió en predecir el eclipse para el año 585 a. de J.C., el cual se produjo en la fecha anunciada. Para ellos, “si la naturaleza jugara limpio, podía ser investigada en forma adecuada, sería capaz de mostrar sus secretos, sin cambiar de posición o de actitud en la mitad del juego, y por lo tanto cuando las leyes de la naturaleza son halladas pueden ser comprensibles.” Este optimismo de los griegos ha permanecido con la humanidad y es el mejor legado que la raza humana ha recibido de parte de los helenos. Con la confianza en la naturaleza los griegos necesitaban conseguir un sistema ordenado para aprender la forma de determinar a partir de los datos observados y las leyes subyacentes. Progresa desde un punto hasta otro, estableciendo líneas de argumentación, supone utilizar la razón. El descubrimiento de los errores o falacias en el razonamiento han ocupado a los pensadores desde los griegos hasta la actualidad y por supuesto que los fundamentos de la Lógica Sistemática a Aristóteles de Esta gira, el cual en el siglo IV a. de J.C., fue el primero en resumir las reglas del razonamiento riguroso. En este juego intelectual de hombre-naturaleza se dan tres premisas: a) La primera: recoger la información acerca de alguna faceta de la naturaleza. b) La segunda: organizar estas observaciones en un orden establecido. c) La tercera: que consiste en deducciones, de un orden preestablecido de observaciones y algunos principios que las resuman. Esta nueva forma de estudiar el Universo fue denominado por los griegos “Philosophia” (Filosofía), voz que significa “amor al conocimiento” o en una traducción el “deseo de conocer”. Por muchas razones los griegos se habían sentido satisfechos al aceptar los hechos obvios de la naturaleza como el punto de partida para sus razonamientos. No existe ninguna noticia relativa a que Aristóteles dejara caer dos piedras de distintos pesos para demostrar su teoría de que la velocidad de caída de un objeto era proporcional a su peso. Este experimento les parecía irrelevante. Se interfería con la belleza de la pura deducción y se alejaba de ella. Por otra parte si un experimento no estaba de acuerdo con una deducción era porque el experimento fue mal realizado. Para los griegos demostrar una teoría perfecta con instrumentos imperfectos no interesó a los filósofos griegos como una forma de alcanzar el conocimiento.

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3. Aprendamos física con catapultas. 3.1. Tema: cinemática, dinámica, estática y la ley de la conservación de la energía. 3.2 Introducción: El trabajo desarrollado con los estudiantes fue netamente experimental y consistió en que a partir de un ejercicio, los estudiantes estudiarían los conceptos de cinemática, dinámica, estática y la Ley de la conservación de la energía mecánica. Se prepararon talleres (uno para cada tema) con los cuales se pretendía que ellos tomaran los datos, que graficaran y sacaran conclusiones de sus resultados comparándolos con la teoría vista con anterioridad en clase. La práctica fue realizada por Jhon Alexander Roa Rodríguez estudiante de Licenciatura en Física de la Facultad de Ciencias Y educación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, en la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas proyecto curricular de tecnología en sistematización de datos, los días Lunes, Miércoles y Viernes de 6:00 A.M. a 8:00 A.M. 1

3.3 Marco histórico : La catapulta es una de las armas de asedio más conocidas de la edad media utilizada para el lanzamiento de proyectiles; se clasifican en varios tipos, entre los cuales se encuentra el trebuchet (o trabuco) objeto de este estudio. Se cree que fue un invento de los chinos y que de ahí se extendió a los árabes vía Persia, para posteriormente llegar a Europa donde se desarrolla la versión pesada de contrapeso. Tenía una ventaja con respecto a sus primos contemporáneos, y era que podía lanzar diferentes tipos de proyectiles: desde rocas, animales muertos en descomposición, hasta mensajes, sobre las murallas de las fortificaciones y castillos. Su ingeniería demostraba varios principios físicos básicos y su arquitectura era muy simple y elegante. Es la única gran máquina de asedio sin antecedentes clásicos, a diferencia de los sistemas de proyección habituales (que son de tensión o torsión). El trabuco lanzaba proyectiles utilizando la fuerza de gravedad. Se trata de un gigantesco brazo (hay casos de 18 m. de longitud) pivotante, que en un extremo tenía un gran contrapeso de hasta 6.000 Kg., y en el otro una cuchara o, en los mejores casos, una gran honda, donde se colocaba el proyectil. A base de poleas se levantaba el contrapeso, que luego se dejaba caer de golpe. Era una máquina tosca, pero eficaz. Podía lanzar cargas de hasta 500 Kg. a más de 200 m., aunque los proyectiles habituales no debían superar los 100 Kg. Utilizada para batir muros o el interior de las ciudades, se arrojaban también estiércol o cadáveres en putrefacción, para causar epidemias, o cabezas de prisioneros o mensajeros capturados, para desalentar a los defensores. Se documenta en Occidente desde principios del s. XII. 2

3.4 Marco Pedagógico . Constructivismo: La metodología utilizada se basa en el modelo constructivista, el cual sostiene que el individuo no es un producto del ambiente ni un resultado de sus disposiciones internas, sino una construcción propia 1

(http://www.artehistoria.jcyl.es/granbat/fichas/1778.htm)

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Tomado de “La Práctica de Laboratorio y el uso de Sistemas Computacionales en el Aula”

Gonzalo Vargas, Fabio Omar Arcos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Ponencia en la XII semana de la enseñanza de la física 2009.

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que se va produciendo día a día como resultado de la interacción entre esos dos factores. El conocimiento no es una copia de la realidad, sino una construcción del ser humano, que se realiza con los esquemas que ya posee, con lo que ya construyó en su relación con el medio que le rodea. El constructivismo ha logrado establecer espacios en la investigación e intervención en la educación, por su sistematicidad y sus resultados en el área del aprendizaje, a diferencia de otros enfoques, que plantean explicaciones acercadas solo al objeto de estudio y otras que solo acuden al sujeto cognoscente como razón última del aprendizaje. Dentro del marco de la Enseñanza de la Física, una tendencia constructivista radica en impactar la estructura cognitiva del estudiante mediante situaciones problema que requieran de su análisis, de forma que se estimule su creatividad y se fortalezca su aprendizaje. Algunos principios útiles en el aula, específicamente en la Enseñanza de la Física son: 1. Principio Constructivista: El estudiante desarrolla su conocimiento con base en la información que recibe y acorde a sus necesidades y disposiciones teniendo en cuenta la interacción entre producto y ambiente. 2. Principio Contextual: La forma en la que el estudiante genera conocimiento depende del contexto y de sus estados mentales. 3. Principio del Cambio: Usando elementos de la vida cotidiana del estudiante es posible cambiar su concepción sobre un fenómeno físico, o hacerlo evolucionar. 4. Principio Individualista: Se basa en el hecho de que cada estudiante posee una pequeña variación en su forma de aprendizaje. 5. Principio de Aprendizaje social: El aprendizaje se estimula en algunos casos de manera más eficaz mediante interacciones sociales, esto es, cuando trabaja en ambientes colectivos. 3.5 Construcción: El prototipo de catapulta que se dio a los estudiantes para su construcción es el de la siguiente figura. Los estudiantes construirán una catapulta de un tamaño mucho mayor para determinar los cálculos solicitados. La presentación del informe será utilizando los formatos estándar para la presentación de informes.

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3.7 Actividad 1. Cinemática: Movimiento de proyectiles 1. Tomando distintos ángulos, identifique la altura a la que el proyectil se despega de la catapulta y el alcance máximo. Coloque papel de carbón y una hoja en blanco en el punto donde cae el proyectil, hace impacto, registre también el tiempo de vuelo con un cronómetro.

Figura 1. 2. Realice nuevamente 10 lanzamientos por cada ángulo repitiendo el paso anterior. 3. Tabule todos los datos, efectúe el cálculo de error y haga un análisis del fenómeno tanto cuantitativo como cualitativo (ver tabla 1).

Tabla No. 1.

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Para los datos obtenidos de la tabla No 1, realizar lo siguiente: Valor medio N

x

x i 1

i

(1)

N

Incertidumbre N

 (x

 

i 1

i

 x)2 (2)

N 1

Error Absoluto

x 



(3)

N

Error Relativo

x 100% x

(4)

Considerando que para un tiro parabólico se tiene que:

vix  vi cos  viy  vi sin 

(5) (6)

y

x  vi cos  t 1 y  tvi sin   gt 2 2

(7) (8)

Recuerde que para este caso la posición final en y es:

y   L sin   l Siendo L la distancia que va del punto de giro al punto en el que se coloca el objeto que se va a lanzar y l es la altura que va del piso al punto de giro. 4

Usando ya sea el método de igualación, sustitución o reducción, halle el valor de ángulo  .

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Una vez determinado el valor de

vi en función del

 vi , determinar la ecuación de movimiento r (t ) , que debe ser de la

forma: 6

   r (t ) , calcule v (t ) y a (t ) .

 1 r (t )  (tvi cos  )iˆ  (tvi sin   gt 2 ) ˆj 2

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Conocido

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En una misma hoja de papel milimetrado realice las graficas de en la tabla No 1.

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(9)

rx y ry para los ángulos que tomó

9

Realice las graficas de la magnitud de

 r en función del tiempo. Recuerde que:  2 2 r  rx  ry

(10)

10 Utilizando las ecuaciones de movimiento obtenidas en el paso cinco y para los valores de halle las ecuaciones de movimiento para los puntos A, B, C y D notados en la Figura 2:

  45 o ,

11 Ubique la catapulta para una determinada distancia en frente de una pared la cual corresponderá a su posición inicial y comience a marcar posiciones cada 2 cm sobre la hoja de papel en blanco hacia la pared (Figura 3 y 4). Sobre la pared peque una hoja blanca y un papel de carbón con el fin de registrar el impacto de la canica y así mismo la posición vertical de cada posición horizontal. Realice lanzamientos para cada posición Tabla No.2.

x

y halle el valor promedio

Ángulo en grados fijo  = x (cm) y (cm) y (cm)

y , usando la ecuación 1. Complete la

Tiempo de vuelo

8 14 20 24 28 32 36 40 Tabla No.2 12 Grafique y vs x . Halle la ecuación correspondiente (use el método de mínimos cuadrados). 13 Compare la ecuación anterior con la siguiente ecuación y obtenga la velocidad inicial.

g   2 y 2  x  x tan   y o 2  2v o cos   14 Realice el respectivo análisis y plantee sus conclusiones. Actividad 2. Cantidad de movimiento y dinámica de la partícula.

14

Aplique una fuerza sobre la cuchara de tal manera que el sistema se encuentre en equilibrio y halle el momento de torsión externo resultante



alrededor del punto O, ver Figura

Figura 1. Pinte los vectores de velocidad que actúan en dicho movimiento (al inicio, en la mitad, al final, y en otros dos puntos. Determine la cantidad de movimiento para cada punto 2. Hallar las ecuaciones de movimiento, tomando los puntos de coordenadas inicial y final. 3. Grafique vx vs t y vy vs t. y grafique vy vs vx. 4. Variar la masa por lo menos tres veces y calcule la fuerza necesaria para el lanzamiento del proyectil en cada uno de los lanzamientos, (use el dinamómetro). 5. Hacer preguntas de análisis y plantear las conclusiones. Actividad 3. Ley de la conservación der la energía. 1 2 3 4 5 6 7 8

Identifique el punto en el cual el objeto se separa de la cuchara. Nombre este como el punto P. La componente vertical de la velocidad inicial. El trabajo efectuado por fuerza gravitacional sobre la partícula durante su movimiento del punto P a punto justo cuando tocar el suelo. Halle la componente de la velocidad horizontal usando las ecuaciones cinemáticas. Determine las componentes horizontal y vertical del vector velocidad cuando la partícula: al inicio, en la mitad del recorrido, en las ¾ partes del recorrido y justo antes de tocar el suelo. Realice una gráfica de energía cinética en función de la velocidad vertical. Calcule la energía mecánica del sistema al inicio, en la mitad del recorrido, en las ¾ partes del recorrido y al final. Realice el análisis y escriba sus conclusiones.

Realizar preguntas de análisis 1 2

Si la energía mecánica en un tiempo t inicial tiene el valor calculado que Ud. calculó anterior mente, y en un tiempo t final la energía cinética se reduce a la mitad ¿Cuál sería la energía potencial? Si la energía potencial fuera menor a la obtenida anteriormente, ¿actuarían fuerzas no conservativas?

15

3 4 5

El trabajo realizado por la fuerza gravitacional de qué variables físicas depende? Si sobre la cuchara actúan fuerzas conservativas cuando se mantiene en el aire, la energía mecánica cambiaría si el punto de lanzamiento fuera diferente? Ajuste la gráfica y determine una función que relacione la energía cinética con la velocidad. Haga un análisis.

3.8. Conclusiones.   

  

El proyecto de la catapulta, así como el estudio de otros tipos de artefactos que han influido en la historia de la humanidad son de vital importancia en la didáctica y la enseñanza de la física, ya que involucran muchos de los principios de la mecánica como en este caso. Los estudiantes de la clase de la profesora Patricia Abdel realizaron la práctica con mucho entusiasmo y dedicación, ya que los conceptos, principios y leyes vistas en clase se hicieron evidentes en la práctica de laboratorio con las catapultas. La información recibida a lo largo del semestre por el grupo fue interiorizada de manera satisfactoria, ya que al ver los resultados de las actividades propuestas a los estudiantes evidencia una apropiación de las teorías y cierta habilidad en su aplicación, lo que evidencia un claro manejo del conocimiento. Cabe resaltar la falta de interés del estudiante por hacer un análisis detallado de los resultados obtenidos y su congruencia con la realidad de los fenómenos. Con relación al anterior ítem se deja la sensación de que hay que “auxiliar” al estudiante cuando se enfrenta al análisis y no planea conclusiones. Falto considerar los cálculos de momento de inercia, momento angular y fuerzas divinativas que pueden afectar la experiencia.

3.9 Bibliografía. http://www.astilleroweb.com/historia.htm http://historia.mforos.com/732486/5986789-catapulta/ http://www.madrimasd.org/experimentawiki/feria/La_ciencia_de_las_catapultas http://delakroketa.wordpress.com/2006/11/28/como-armar-una-catapulta-planos-imagenes-foros-etc/ http://www.trebuchet.com/ http://www.arteyestilos.net/biografias_escritores/arquimides.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Onagro_(arma_de_asedio) http://es.wikipedia.org/wiki/Fund%C3%ADbulo Fisica U, Sears; Zemansky; Young; Freedman. Vol I. ED. Pearson Addison Weslew. 11° Ed. Física para Ciencias e Ingeniería Serway, Raymond A.; Jewett Jr., John W. Vol. I. ED. Thomsom. 6° Ed.

16

4. El carro de Newton. 4.1. Tema: Dinámica, cinemática y energía mecánica. 4.2. Realizada por: Harley J. Orjuela B, estudiante de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. La propuesta fue realizada para los estudiantes del proyecto curricular de sistematización de datos de la misma universidad, con un número de 28 estudiantes en la materia física mecánica. Tiempo de duración 4 horas de clase. Uno de los propósitos es diseñar una práctica de laboratorio donde se apliquen los conceptos de cinemática, dinámica y Ley de la conservación de la energía vistos en clase. Involucrar magnitudes conocidas medibles que se puedan comparar, para después relacionarlas y evaluarlas. 4.3. El laboratorio: Se recomendó a los estudiantes como marco teórico los siguientes temas: dinámica, cinemática y energía mecánica. Los textos recomendados fueron: Física de Hewitt, Paul, Física de Raymond A, Física de Sears Zemansky y Conceptos Básicos de Física Mecánica de Patricia Abdel Rahim. Estos se hacen necesarios en el momento en el que compare los datos experimentales con los teóricos. Para el desarrollo del laboratorio del carro de Newton, se les entrego dos talleres. El primer taller consistía en la construcción del carro de Newton (Figura 1) y el segundo taller consistía en el laboratorio.

Figura 1. Carro de Newton con el riel 4.3.1. Materiales 4 tablas de balso duro (rieles) 4*50*90 mm una tabla de balso (carro) 4*50*90 mm un bloque de balso (uniones) No. 20 y 15 Canaleta de cable (cuadrada) cable de red

Puntillas para madera, una polea con canal (metálica) Cuerda de dos metros Pegante de madera,

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Papel bond, vidrio

Papel liso y rugoso (cajetilla de cigarrillos)

Procedimiento para la construcción del carro.

Figura 2. Polea y llanta 1. Al colocar las llantas traseras y pegue la polea. 2. Posteriormente tome la tabla de balso duro y corte dos pedazos de 15 cm de alto cada uno éste corresponderá a los laterales del carro. Con dos bloque numero 20 de los mismos 15 cm serán la parte frontal y posterior del carro. Figura 2 3. En la polea enrrollamos la cuerda y en la parte inferior de la curda atamos una masa, esto se hará que la polea gire al caer la masa colgante, haciendo que el carro avance horizontalmente. En la polea enrrollamos la cuerda y en la parte inferior de la cuerda atamos una masa, esto hará que la polea gire al caer libremente la masa colgante, haciendo que el carro avance horizontalmente. 4.3.2. Construcción de los rieles Se arma los rieles con las siguientes superficies: lija, vidrio, tela, papel, acetato cortados con la misma dimensión de riel (Figura 3). Nota: los elementos de madera (balso) fueron adquiridos en papelerías. La polea, la puntilla y las cuerdas se puede adquieren en cualquier ferretería y en una juguetería se consigue un carro para obtener las llantas.

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Figura 3. Rieles

Figura 4. Carro de Newton con la polea en las llantas traseras. 4.3.3. Experiencias de laboratorio Plano horizontal Coloque el carro sobre los rieles y enrolle la cuerda con la masa colgante para realizar el movimiento, como se muestra en la Figura 4. Desarrolle los siguientes puntos: a) Realice el diagrama de cuerpo libre sobre el carro. b) Determine los coeficientes de fricción estático y por deslizamiento de las diferentes superficies complete la Tabla 1. Superficies Plástico - Plástico. Plástico - lija Plástico - tela Plástico - Papel Plástico - vidrio Plástico - acetato

μs

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μk

Tabla 1. Coeficiente de fricción estático (μs) y deslizamiento (μk) Nota: los datos consignados en la tabla 1 deben estar sustentados con los procedimientos. Preguntas: a) ¿Cómo se relacionan la fuerza de fricción (estática o por deslizamiento) con la fuerza normal? b) ¿Por qué es más fácil el deslizamiento de un cuerpo en movimiento que el de uno en reposo? c) ¿Compare los coeficientes y note una regla. d) ¿Con cual de las superficies en contacto el carro avanza más? Explique. Para responder las preguntas anteriores se deben incluir dos ejemplos deducidos de la experiencia. Plano inclinado con el carro de Newton

Grafica 5. Plano inclinado Para la siguiente experiencia use el riel que tiene lija. Incline la tabla de balso en los ángulos que se indican en la Tabla 2 y desarrolle las siguientes preguntas. a) Realice el diagrama de cuerpo libre sobre el carro. b) Determine la aceleración del sistema de manera teórica usando cinemática y la dinámica. c) Desarrolle el mismo punto anterior pero experimentalmente. d) Calcule el error en la aceleración y complete la Tabla 2. Ángulo

aceleración 2 teórica (m/s )

aceleración 2 experimental (m/s )

Error relativo

0

15 0 30 0 45 0 60 0 75 Tabla 2. Plano inclinado Preguntas a) ¿Si un cuerpo carece de aceleración se puede afirmar que no existe fuerza actuando sobre el? Justifique su respuesta. b) ¿El carro puede tener velocidad y no estar acelerado? Justifique su respuesta. c) De que depende la aceleración. Conteste la pregunta de acuerdo a su experiencia. d) Indique como obtuvo el coeficiente de fricción cinética.

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e) Realice una grafica el ángulo en función de la aceleración teórica. Y halle la relación entre las dos variables. f) De que depende la fuerza normal, calcúlela. Realice comentarios y conclusiones. Conservación de la energía y el cálculo de la velocidad final. Usando la Ley de la conservación de la energía, halle la velocidad justo cuando la cuerda se ha extendido en su totalidad. Repita el cálculo completando la Tabla 3 y desarrolle las siguientes preguntas. Preguntas a) Realice el diagrama de cuerpo libre sobre el carro y la masa colgante. b) Determine la velocidad final de la masa colgante justo antes de tocar el suelo (indique el método utilizado para hallar la velocidad final).

Longitud (m)

Velocidad final (m/s)

4L 2L 4 L 3 L Tabla 3. Velocidad final. Masa del Carro = kg, Masa Colgante = kg 2 Gravedad = 9,8 m/s Ahora relacionaremos el movimiento del carro con el movimiento de la masa colgante con el tiempo total del movimiento (tc). Complete la Tabla 4. Tiempo en segundos (tc)

Movimiento horizontal en metros.

Movimiento vertical en metros.

Vf del carro en metros sobre segundos.

Vf de de la masa colgante en metros sobre segundos.

1/4 tc 2/4 tc 3/4 tc tc Tabla 4. Longitud de la cuerda igual a 80 cm. Desarrolle las siguientes preguntas: a) Grafique el movimiento tanto horizontal como vertical como funciones del tiempo (tc). b) Halle la ecuación correspondiente para cada grafica. Como se relacionan la componente horizontal y vertical con el tiempo. c) Haga la grafica de la velocidad tanto horizontal como vertical como funciones del tiempo. d) Arme una ecuación que relacione las tres variables posición horizontal, vertical y el tiempo.

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e) El tiempo es una variable dependiente o independiente. Bibliografía [1] Sears Zemansky Física Universitaria Pearson Education 9 edición México 1996. [2]Abdel Rahim Garzon, Conceptos básicos de física mecánica, 2007 [3] FEYNMAN R.P..: The Feynman Lectures on Physics Vol. I, Addison - Wesley, Inc. 1974. [4] Serway Raymond A. Física Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996.

4.3.4. Conclusiones de las respuestas a las preguntas del laboratorio anterior. Plano horizontal Como los estudiantes ya habían realizado una práctica sobre los coeficientes de fricción estático y cinético al realizarlo nuevamente se observo que los resultados fueron acertados en un 80% cuanto a: procedimientos, los datos y fundamentalmente que el coeficiente de fricción estático era mayor que el cinético. Los resultados experimentales obtenidos permitieron contestar las preguntas. Por ejemplo a la pregunta ¿Qué es la fricción y que relación tiene la fuerza de fricción con el peso del cuerpo? Contestaron en su mayoría que la fuerza de fricción es la fuerza que se opone al movimiento y la segunda pregunta la asociaron con la ecuación Fk   k mg . Para la siguiente pregunta ¿Por qué es más fácil el deslizamiento de un cuerpo en movimiento que el de uno en reposo? Contestaron en su mayoría que debido a que el coeficiente estático es mayor que el cinético y por lo tanto se requiere menor fuerza aplicada. Y para la pregunta ¿Por qué el coeficiente de fricción cinético es menor que el estático? los estudiantes la contestaron usando las ecuaciones

s 

F F  ma y k  . mg mg

Lo que se observa es que los estudiantes usan las ecuaciones para argumentar sus respuestas, al igual que sus resultados de ahí la importancia de una buena practica experimental. Plano inclinado con el carro de Newton. Los cálculos de la aceleración teórica los realizaron con las ecuaciones:

a

2x f  mg cos  y a k . 2 t m

0

Tomando el ángulo desde el eje horizontal positivo. Por ejemplo: con 15 del plano inclinado, la fuerza 0 del peso lo tomaron con un ángulo con relación al eje x positivo de 225 . A la pregunta ¿Si un cuerpo carece de aceleración se puede afirmar que no existe fuerza actuando sobre el? Los estudiantes respondieron que la única manera para que no haya fuerza es cuando el cuerpo se encuentra en el vacio. Otros argumentaban que la única fuerza que actuaria sobre el cuerpo seria el peso y otros aplicaron la primera Ley de Newton.

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Además afirmaron que mayor grado de inclinación del plano la aceración era mayor se observo que lo dedujeron a partir de los cálculos. Conservación de la energía y el cálculo de la velocidad final. La mayoría de los estudiantes afirmaron que el movimiento del carro y de la masa colgante son acelerados y además que el avance horizontal y vertical se realiza en las mismas proporciones. Deducido a partir de las graficas. Las graficas de posición horizontal y vertical en función del tiempo les dio a la mayoría de los estudiantes una parábola donde no linealizaron para hallar las ecuaciones. Cabe notar que en el taller no se pedía pero en anteriores clases ya se habían realizado ejercicios donde el estudiante linealizaba curvas para obtener la ecuación que relacionara las variables y las analizaban. Para otros estudiantes como las graficas no estaban bien las ecuaciones y los comentarios no fueron correctos. Lo anterior es debido a que los puntos que se tomaron fueron insuficientes. En su mayoría tuvieron dificultades para relacionar las tres variables lo que si algunos realizaron fue la gráfica de posición horizontal en función de la posición vertical la cual obtuvieron una línea recta. 4.3.5. Sugerencias y comentarios por parte de los estudiantes. Se observo que los estudiantes se basan en las ecuaciones y los resultados de las gráficas para dar sus respuestas pero si dentro del taller no aparece un punto donde se note que deben realizar lo anterior no las realizan y para contestar las preguntas se basan en la intuición. En su mayoría los cálculos de los coeficientes de fricción estático y cinético fueron los correctos esto debido a que ya se había desarrollado una práctica semejante, donde los cálculos fueron también bien elaborados. Esto nos indica que el realizar una buena practica de laboratorio el concepto como tal queda aprendido. Uno de las causas de errores de los cálculos es debido a que en la construcción del carro de Newton no se utilizó los materiales propuestos para la práctica.

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5. Una forma de enseñar las leyes de Newton. 5.1 Tema: Leyes de Newton. 5.2 Realizada por: Nidia Danigza Lugo López y Ricardo Chavarro Cortes estudiantes de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas – facultad macarena en su práctica docente. La prueba se aplico a los estudiantes de la misma Universidad Facultad Tecnológica del Proyecto Curricular de Sistematización de Datos a 22 estudiantes. Los estudiantes pertenecientes a estos grupos presentaban dos características diferentes, los estudiantes nuevos que tenían una mejor disposición frente a la clase que siempre estaban más pendientes y dispuestos al trabajo en clase y los estudiantes repitentes que mostraban lo contrario. 5.3 La metodología: Se realizo primero una prueba diagnostica con el fin de conocer las dificultades de tema y poder facilitar la solución de dudas y preguntas. Los resultados obtenidos de esta prueba no fueron satisfactorios ya que las respuestas solo se limitaron a dar un si o un no, se concluyo que estaban muy confundidos con relación a este tema y se tendría que desarrollar desde la base. Luego de ser aplicada la prueba diagnostica, se hará entrega de lecturas. Se sugirió consultar otros textos como: PAUL, G, Hewitt. Conceptos de Física: Capitulo 4, Leyes del movimiento de Newton. Pág. 67-83. y http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_permanentes/conciencia/fisica/menufisica.htm. Posteriormente y de acuerdo a la prueba se realizaría la clase junto con algunas experiencias demostrativas para explicar cada una de las leyes de Newton y finalmente se entrego el taller de laboratorio. 5.4. Primera parte: Prueba diagnóstica con resultados de la aplicación. Pregunta: ¿Porque un balón que se encuentra en movimiento se detiene al transcurrir el tiempo? Justifique su respuesta. Resultados: Las respuestas del por que el balón se detenía se adjudicaron a las fuerzas de fricción y la resistencia del aire. Las justificaciones más frecuentes fueron: a) b) c) d)

La Fuerza de fricción. Lo que hace que el balón se detenga es la inercia. Resistencia del aire. Si no hubiera fricción el balón no se detendría.

24

e) Hay una fuerza que inicialmente empuja el cuerpo y con el tiempo esta disminuye hasta acercase a cero y el cuerpo se detiene. Pregunta: ¿Contiene fuerza un cartucho de dinamita? Justifique su respuesta. Resultado: Los estudiantes respondieron que no contenía fuerza un cartucho pero la mayoría no justificaron su respuesta. Pregunta: Es posible tener movimiento en ausencia de fuerza. Justifique su respuesta. Resultado: Los estudiantes que afirmaron que en ausencia fuerzas no hay movimiento se basaron en el hecho de que si hay fuerzas el movimiento debería ser acelerado. Pregunta: Cual es el error en la afirmación: “Como el automóvil esta en reposo, no existen fuerzas que actúen sobre él” ¿Cómo corregirías el enunciado? De mínimo 2 ejemplos que ayuden justificar la respuesta. Resultados: Las repuestas se centraron alrededor de 5 tópicos: a) b) c) d) e) f)

El enunciado es correcto no hay fuerzas sobre el auto. 4 personas. Si hay fuerzas, el peso. 4 personas. La fuerza normal. 3 personas. Si existen fuerzas pero no las nombro. 1 persona. No respondió. 4 personas. Gravedad. 5 personas.

Como la primera prueba diagnóstica no solucionó muchas de las dudas que teníamos con relación al conocimiento que tenían los estudiantes con relación a las Leyes de Newton. Realizamos otra prueba diagnostica. 5.5. Segunda prueba diagnostica. En cada una de las situaciones representadas en la Figura 1. Indica la dirección de la fuerza. Resultados: La mayoría de los estudiantes dibujaron la fuerza en la misma dirección del movimiento y un estudiante dibujo una fuerza normal. Aquí se noto que el peso y la masa para ellos es lo mismo.

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Fig. 1a. Balón de Fútbol que asciende verticalmente.

g

g

v Fig. 1c. Balón de Fútbol que desciende verticalmente.

Fig. 1b. Balón de Fútbol que se mueve con velocidad constante.

Figura 1: Movimiento del Balón de Fútbol. De las siguientes afirmaciones señala la(s) que considera correcta(s). Justifique su respuesta basándose en ejemplos de la vida cotidiana, (Mínimo 2). a. Un cuerpo sobre el que no se ejerce fuerza alguna no se puede mover. 22 estudiantes encuestados 16 afirman que la es cierta. 12 estudiantes justifican con la siguiente afirmación: Si no hay fuerza no hay movimiento. b. Si un cuerpo se mueve con velocidad constante, entonces la fuerza que actúa sobre el es nula. 8 estudiantes afirman que es cierta. Para b: 13 personas afirman que es cierta. Los ejemplos que proponen son inconsistentes. 1 estudiante lo justifico notando que cuando uno jala un cuerpo este se mueve en la dirección de la velocidad.

a bloque 1

bloque 2

Figura 2 Pregunta: La Figura 2 muestra dos bloques que se desplazan con aceleración constante debido a la acción de una fuerza externa. Dibuja las fuerzas ejercidas sobre cada bloque. Resultados: En este ejercicio se ve claramente la tendencia a pensar en la gravedad como una fuerza y no como una aceleración. Dibujaron la fuerza aplicada sobre el sistema, la fuerza normal del piso sobre el bloque 2, la normal que ejerce el bloque 2 sobre 1 y la fuerza de fricción del piso sobre el bloque 2 e ignoran por completo la normal entre el bloque 1 y 2 y la fuerza de fricción entre los bloques 1 y 2.

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F3

F1 F2

Figura 3 Pregunta: Sobre un cuerpo actúan 3 fuerzas como se muestra en la Figura 3. Si F1 y F2 son iguales en magnitud y dirección y F3 es mucho mayor a la suma de ambas hacia a donde se mueve el cuerpo: a) b) c) d)

Hacia la Izquierda. Hacia la Derecha. No se mueve. Justifique se respuesta basándose en principios físicos.

Resultados: Los que afirmaron que el cuerpo se movía hacia la izquierda. Lo argumentaron diciendo que se mueven en dirección de la fuerza mayor. Las personas que afirmaron hacia la derecha, argumentaron que F3 es menor que la suma F1 y F2, notándose que tienen dificultades con la compresión de lectura. Pregunta: Si una persona empuja un bloque que inicialmente estaba en reposo. a) ¿Ejerce esta persona una fuerza sobre el bloque? Si la respuesta es afirmativa ¿Cómo se puede evidenciar este hecho en el cuerpo? b) ¿Ejerce el bloque una fuerza sobre la persona? Si la respuesta es afirmativa ¿Qué características tiene dicha fuerza? Resultados: a) 22 estudiantes respondieron que si, el hecho se puede evidenciar por le movimiento de la caja. b) 14 estudiantes respondieron que si y 3 que no y los 5 restantes no respondieron nada. 13 estudiantes justificaron con las fuerzas de acción y reacción.

Figura 4 Pregunta: Dibuja todas las fuerzas que actúan sobre el bloque de la Figura 4. Resultado: Todos pintaron la normal, el peso y la fuerza aplicada y afirmaron que la mesa ejerce fuerza sobre el bloque pero no indicaron cual y pocos pintaron la fuerza de fricción ( f k ).

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5.6. Tercera parte: Clase magistral (tiempo 2 horas de clase) El desarrollo en el aula se realizó teniendo como base principal las lecturas. Partiendo de las definiciones que dieron los estudiantes para la fuerza y su relación intima con el concepto de interacción. Se procedió a desarrollar el tema comenzando por clasificar las fuerzas en dos grandes grupos y algunas subdivisiones de los mismos:

FUERZAS Por Contacto

Normal

Tensión

Fricción

Elástica

A distancia

Gravitacional

Peso

Eléctrica - Magnética

Fuera del Peso Durante el desarrollo conceptual de esta fuerza se hizo especial énfasis en el error mas común que se presenta cuando se usa el termino “peso”, queriéndonos referir a la masa de un cuerpo. Para ello se aclaro que no es lo mismo que el “peso” usando la siguiente experiencia. Se dejo caer un cuaderno y una hoja de papel y luego comprimir la hoja de papel y se dejo caer. Preguntas: ¿Qué cae primero la hoja sin arrugar o el cuaderno? ¿Porque? ¿Que pasaría si repitiera la misma situación en un sitio en donde el aire no se opone al movimiento? Las respuestas cumplieron con las expectativas, los estudiantes vieron el importante papel que juega la resistencia del aire en esta situación y finalmente llegaron a la conclusión que todos los cuerpos son igualmente acelerados hacia la tierra y que el valor de la aceleración es la gravedad. Esto con la ayuda de ideas ya concebidas como las de caída libre. La idea del peso como fuerza no presento mayor dificultad. Es importante mencionar que además se realizaron las siguientes preguntas, ¿Si la gravedad en la luna es menor que la de la tierra que pasaría si nos pesáramos en la luna? Estos se logro porque previamente formalizo matemáticamente la idea de peso diciendo w  mg . Haciendo uso de esta ecuación se les pidió que calcularan el valor de su peso en la tierra y en la luna y con esto lograron ver que aunque su peso era menor en la luna que en la tierra, ellos no perderían masa en el proceso. Otro aspecto que vale la pena resaltar se dio cuando los estudiantes confundían el término aceleración gravitacional (g) con “fuerza de gravedad”. Para atacar este problema se recurrió al desarrollo de las unidades que deben tener una fuerza y una aceleración y así demostrar que sus afirmaciones eran incorrectas y lograr un cambio conceptual. Fuerza Gravitacional

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La idea de fuerza gravitacional solo se menciono su aplicación en lo que respecta a los casos entre el sol y los planetas y los satélites tomando como ejemplo nuestra luna, ya que esta expresión depende de dos masas y de una distancia entre las mismas:

 Mm F  G 2 rˆ r

Aunque se realizo la equivalencia que tiene con el peso ya que si tomamos la relación anterior en un caso de un cuerpo cercano a la superficie terrestre, es decir tomando una distancia pequeña para que el radio se tomara como el de la tierra R  6,37  10 m , M seria la masa de la tierra M  5,96  10 kg , m la masa del objeto que se tomo como un kilogramo y si la constante gravitacional 6

24

G  6,67  10 11 Nm 2 / kg 2 . Mostrando que el valor del peso de la masa m era igual al calculado con la formula de la fuerza gravitacional. Fuerza Normal

Este caso clásico se tomo como base para la explicación de la fuerza normal. Se comenzó cuestionando lo que sucedería con el cuerpo si no hubiese superficie y a partir de la respuesta común de los estudiantes (se caería) se concluyó que la superficie ejercía sobre dicho cuerpo una fuerza que era perpendicular a la superficie denominada “fuerza normal”. En seguida se comento que en geometría se denominaba normal a una línea perpendicular a una superficie. Finalmente se presentó el caso del plano inclinado donde se pidió que se pintara la fuerza normal. Una pequeña minoría pinto esta fuerza de la siguiente manera:

Se propuso dibujar como la fuerza normal sobre un cuerpo que se encuentra sobre un plano horizontal. 0

Este plano se inclinaría los siguientes ángulos 30 ,60 estudiantes aclararan sus ideas sobre la fuerza normal.

0

y 900 . Con estos ejercicios se logro que los

Fuerza de Tensión Para trabajar este concepto se explico que la tensión es una fuerza de contacto que por lo general se daba cuando había cuerdas involucradas y buscando facilitar nuestros cálculos trabajaríamos con cuerdas no elásticas. El desarrollo de este concepto fue relativamente sencillo ya que al presentar algunas situaciones típicas pintaron correctamente las fuerzas de tensión correspondientes a cada una justificando coherentemente sus respuestas. Situación 1

M

29

Situación 2

M Se realizaron dos situaciones una consistía en amarrar una cuerda a un bloque y cuando estaba en movimiento se cortaba la cuerda y se observo que ocurría con el bloque. La otra situación se colgó un bloque al techo como se muestra en la figura, después se corto la cuerda observándose que el cuerpo se cae. De esta forma se logro que el estudiante viera que la cuerda ejerce una fuerza sobre el bloque y que al no haber cuerda no hay fuerza. Fuerza de Fricción La primera idea que surgió entre los estudiantes respecto a las fuerzas de rozamiento, es que estas retrasan los movimientos o simplemente los impiden. Esta concepción llevo a realizar un paréntesis donde se hizo la siguiente pregunta: ¿Qué ocurriría si las fuerzas de rozamiento no existieran? Las respuestas obtenidas continuaban siendo enfocadas a movimientos y a la facilidad que habría para realizarlos. En base a estas respuestas se empezó a explicar que las fuerzas de rozamiento no solo impedían movimientos, sino que también los facilitaban, por ejemplo al caminar ejercemos una fuerza sobre el piso y este a su vez ejerce fuerza sobre nosotros que permite el impulso para seguir con el movimiento. Después de presentada esta situación se pidió a los estudiantes que citaran mas ejemplos donde la fuerza de fricción fuese facilitadora en la realización de las actividades; las respuestas entregadas fueron muy variadas, pero lo más importante es que se cambio la concepción de que fuerza de rozamiento simplemente era impedimento para el movimiento. Ya entrando al estudio formal de la fuerza de rozamiento se tomo la siguiente situación problema, la cual con ayuda de algunos materiales se logro realizar: Si colocamos una caja sobare una mesa y esta es jalada con un dinamómetro lentamente hasta que este se empiece a moverse y se tomo este valor. Luego se continúo aplicando la fuerza hasta mover la caja. Luego se introdujo el concepto de fuerza de fricción estática, estática máxima ( f s ) y cinética ( f k ). Posteriormente, surgió el interrogante concerniente con la relación matemática que determinara un valor para la fuerza de fricción, por ende se desarrollo el concepto de coeficiente de fricción. Para este término se dieron sus características básicas como los valores que podría tomar y que para cada material existía este coeficiente ya sea estático o cinético. Finalmente se llego a la expresión final para determinar un valor para la fuerza de fricción:

f N

Donde el término  correspondía al coeficiente de fricción y N la fuerza normal. Finalmente se aclaro que esta relación para el caso de la fuerza de fricción estática, era valida únicamente cuando esta fuese máxima. Fuerza elástica El montaje consistía en un resorte colgado al cual se le media su longitud inicial. Luego un estudiante colgaba una masa de 1 kg y media el valor del la distancia que se estiraba, luego progresivamente se aumentaba la masa.

30

De lo anterior los estudiantes observaron que al quitar las masas el resorte volvía a su estado inicial de donde dedujeron que esta fuerza elástica era contraria al peso de los cuerpos que se colgaban a el y que la elongación es directamente proporcional a la fuerza, de donde se llego a la expresión característica:

 F   kxiˆ Al preguntarle al grupo del porque del signo menos no tuvieron inconveniente en responder que este indica que la fuerza elástica y la elongación tienen direcciones opuestas. Leyes de Newton Para la siguiente clase se dejo de tarea leer sobre las tres leyes de Newton y que contestaran las siguientes preguntas. Ley de la inercia ¿Cuál es la diferencia entre masa y peso? ¿Cual es la medida de la inercia? Segunda ley Se tomara como base la siguiente situación problema: a) Una persona empuja una caja aplicando una determinada fuerza y la caja se acelera. Si se aumenta la masa ¿Qué efecto produce sobre la aceleración? b) Si la fuerza aumenta y la masa permanece constante ¿Qué análisis se obtendría? c) Hay relación entre las preguntas anteriores y la segunda ley de Newton. d) Si la persona qué esta empujando la caja lo hiciera sobre una segunda superficie ¿Qué pasaría con la fuerza que la persona debe de ejercer sobre la caja para que esta se mueva con la misma aceleración? Describa la situación. Tercera ley Se pidió que analizaran la siguiente situación: dibuje las fuerzas de acción y reacción que actúan sobre una persona que empuja una caja. Resultados de la segunda clase Ley de la inercia Se explico la ley de la inercia con ejercicios. Sistemas en equilibrio y sistemas que se mueven con velocidad constante. Segunda ley Para desarrollar esta ley del movimiento, se partió del razonamiento de Isaac Newton: “Un cambio en el movimiento genera una aceleración y esto se consigue cuando una fuerza interviene”.

2 Fa

Fa 31

Si se aplica sobre un cuerpo una fuerza que lo saque del reposo este sufrirá una aceleración, ahora si esta fuerza aumenta al doble de la primera la aceleración también será el doble de la primera. De donde se concluyo que la fuerza es directamente proporcional a la aceleración. Aunque se hizo hincapié también en la importancia de la masa ya que igualmente juega un papel importante pues si retomamos de nuevo la situación problema al aplicar la misma fuerza inicial y aumentamos la masa del cuerpo la aceleración será menor de donde se concluyo que la aceleración y la masa son inversamente proporcionales. De donde se introdujo que:

  Fneta a masa Despejando la fuerza:





F  ma

En el desarrollo de esta clase se hizo un gran énfasis en la idea de fuerza neta como la suma de fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Basados en esto se formaliza la idea de diagrama de cuerpo libre, el cual permitió visualizar e interpretar de una mejor manera las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

Tercera ley Los estudiantes afirmaron que hay una fuerza que ejerce la persona sobre el objeto que empuja y una fuerza contraria del objeto sobre la persona ya que si no fuese así seria porque “no estaría empujando nada” o “no habría un segundo cuerpo”. Además de esto se estableció que así como la tierra ejerce una fuerza sobre una persona esta también ejerce una fuerza sobre la tierra de la misma magnitud pero en dirección contraria. ¿Cómo puede ser





esto? Respondieron que si F  ma , donde para la tierra se tiene una masa muy grande con una aceleración muy pequeña y para la luna se tiene una masa muy pequeña con una aceleración muy grande, de tal manera se que las fuerzas de acción y reacción son iguales en magnitud y contrarias en dirección. Según las respuestas y el análisis de diferentes situaciones se logro construir el postulado de la siguiente manera: Un cuerpo que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo experimenta una fuerza que el otro a su vez ejerce sobre el primero. Es decir un cuerpo no podría ejercer fuerza sobre otro, sin que el otro, a su vez ejerza una fuerza sobre este. 5.7. Laboratorio Se plantearon dos situaciones problema, los estudiantes debían hacer un montaje experimental para buscar la solución. Los alumnos exponen experiencias entregando un informe de laboratorio donde note el desarrollo de sus experiencias. (Tiempo dos horas de clase). Primera situación problema.

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Si tenemos una pelota de fútbol y le aplicamos una fuerza externa diferente de cero como consecuencia de esta fuerza la pelota empezara a moverse con una velocidad. Al cabo de un tiempo esta se detendrá, como se lograría que el tiempo que dura el movimiento de la pelota fuera mayor al inicial sin aplicarle una fuerza externa mayor. F

Figura 1 Preguntas a) ¿Por qué se detiene la pelota? b) Si se lograra que la fricción entre el piso y la pelota fuera muy pequeña que pasaría con el movimiento de la pelota. Segunda situación problema. A Luis Ernesto le encanta ir al supermercado con la mamá, porque se pone a jugar con los carritos del mercado. Él ha notado que es más fácil ir rápido cuando tiene menos cosas que cuando ha terminado de hacer mercado. El no entiende porque sucede esto. Pregunta: Con un experimento ayuda a Luis Ernesto a resolver su problema. a) ¿Es cierta la afirmación de Luis Ernesto? Demuéstrelo. b) Establezca una relación con la ayuda del experimento entre la fuerza aplicada al carrito para moverlo y la aceleración de este. Para esto utilice una grafica. Conclusiones en general. Al aplicar las pruebas diagnósticas se obtuvo respuestas a algunas inquietudes que se tenían con respecto al manejo de los conceptos (por parte de los estudiantes) de fuerza, masa y aceleración en general a las Leyes de Newton. Ya que numerosas teorías afirman que cuando el alumno llaga a estudiar por primera o múltiples veces los cursos de física, ya tienen una variedad de información sobre los diversos fenómenos naturales donde la explicación y compresión de estos fenómenos. Estas concepciones conceptuales son importantes de conocerse ya que son parte fundamental de nuestro trabajo. Al aplicar la prueba diagnostica los resultados de ambos grupos fueron poco satisfactorios ya que las respuestas eran muy cortas, nos pareció un poco confuso ya que nos preguntamos el por que los estudiantes no habían utilizado la bibliografía suministrada. Con el segundo paso se dicto la clase, utilizando varias experiencias demostrativas para discutir las respuestas que dieron los estudiantes en las pruebas diagnósticas. La cual fue muy interesante saber que experiencias tienen con relación a este tema. Fue muy satisfactorio ver la creatividad con que los estudiantes desarrollaron sus experiencias de laboratorio para explicar la situación problema. Aunque posteriormente en el momento de evaluar por escrito las tres leyes de Newton los resultados fueron catastróficos. Se piensa que eso ocurrió por que el estudiante esta acostumbrado a que en el colegio el docente esta más pendiente (no solo en clase si no

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en horas extra clase) del proceso de aprendizaje, creo que si la profesora o los practicantes mantuvieran más tiempo en este proceso se hubieran obtenido mejores resultados. La cual me parece muy perjudicial para el estudiante universitario ya que se acostumbraría a que el trabajaría si tiene el guardián que lo presiona para realizar sus actividades. Por lo tanto, es importante que los estudiantes se habitúen a un proceso que es total mente diferente al del colegio, donde sea una persona responsable de su proceso de aprendizaje. Ya que cuando el estudiante se encuentre en el mundo laboral el debe ser un líder en su punto de trabajo. Para resaltar enunciamos algunos laboratorios que me llamaron la atención fueron: por ejemplo un grupo utilizando materiales como: candado para la fuerza aplicada, canica, tapete y una lamina de acetato para las superficies. Uno de los procedimientos consistía en colocar la canica sobre el tapete. Se uso la activación de un candado para aplicar la fuerza aplicada y mover la canica desplazándose una cierta distancia la cual fue medida. Luego quitaron el tapete y colocaron la lamina de acetato y realizaron el mismo procedimiento anterior y midieron lo que se desplazo. Compararon y concluyeron que dependía de las superficies en contacto el que la canica se desplazara más (o menos). Otro grupo realizo lo mismo que el grupo anterior pero utilizaron un péndulo para empujar la canica garantizando que la fuerza aplicada fuera la misma para los dos casos cuando la canica se desplazara sobre el tapete o sobre acetato y descartar la posibilidad de que la fuerza aplicada fuera la causante de que la canica se desplazara mas (o menos). También algunos grupos utilizaban canicas de masa diferente donde las canicas pequeñas en ambos casos (con tapete o acetato) se desplazaron más que las canicas grandes, a este fenómeno los estudiantes lo explicaron usando la primera Ley de Newton. Cabe notar que ningún grupo tuvo la iniciativa de utilizar procedimientos matemáticos para mostrar en su exposición la veracidad de sus afirmaciones. Sus respuestas a las preguntas que les hacíamos se basaban en lo que observaban cuando realizaban su experiencia en algunos casos habían contradicciones entre lo que intuían y lo que ocurría en la experiencia y simplemente no había respuesta. Por lo tanto los invitábamos a realizar nuevamente la experiencia pero con algunos cálculos como: medir en cada caso el desplazamiento en línea recta y compararan. Además medir el coeficiente de fricción cinético entre los materiales y los cálculos que ellos consideran para dar una explicación satisfactoria a las preguntas sin respuesta. Dificultades De forma general las dificultades se pueden dividir en dos, las presentadas por los estudiantes y con las que nos encontramos en el desarrollo de las actividades. Se observa que la mayor dificultad por parte de los estudiantes radica en sus preconceptos ya que estos son deficientes y en ocasiones errados. Como por ejemplo: a) Los estudiantes creen que la fuerza es una sustancia y que por lo tanto los cuerpos contienen fuerza. b) No hay necesidad de interacción entre cuerpos para la existencia de fuerzas, esto genera problemas a la hora de identificar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, ya que ocasiones hablan de fuerzas que no hay. c) De sus respuestas se puede evidenciar un mal manejo y confusión de conceptos básicos no solo en física sino en matemáticas. d) No aplican conceptos ya aprendidos para la explicación de sus experiencias de laboratorio esto ocurrió con todos los estudiantes. Con relación a la clase

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a) Es difícil establecer una relación entre lo trabajado en clase y lo que se observa en su vida cotidiana. b) La mayor dificultad con la que nos encontramos fue creer que los estudiantes manejaban muchos conceptos y al explicar el tema obviábamos muchos pasos por lo que la profesora se vio obligada a intervenir en varias ocasiones a complementar lo dicho. c) La clase puede coger un rumbo diferente al esperado y que hay que estar en la capacidad de solucionar esta dificultad. Papel de la Profesora durante el proceso. La profesora que dirigió nuestra práctica es Patricia Abdel Rahim. La cual tuvo un papel muy importante en el desarrollo de las diferentes actividades, estas fueron plateados por nuestra propia iniciativa, pero la profesora participación de la profesora fue de vital importancia ya que estas se plantearon con su ayuda y basándonos en sus requisitos y exigencias. Aporto ideas interesantes que fueron tenidas en cuenta tanto en el mejoramiento de las actividades como en el desarrollo de las clases. Estuvo presente en el desarrollo de las clases. En estas realizo aportes y preguntas contribuyendo al buen desarrollo de las mismas. Los aportes y preguntas estuvieron enfocadas a aclara los conceptos que se están exponiendo. Sus intervenciones nunca estuvieron enfocadas a desacreditar el trabajo que se estaba realizando. Conclusiones en general De acuerdo con Galileo Galilei, fundador del método experimental. Método que emplea la inducción, el estudio de los procesos y sus dinámicas. (lo cuantitativo sobre lo cualitativo). Además de Newton, Bruno, etc. Que ha demostrado ser la más eficiente para: Admitir como verdadera cosa alguna cuando no estoy seguro si verdaderamente lo es. Dividir las dificultades, que examinare en cuantas partes fuese posible y en cuantas requiriese mejor solución. Conducir ordenadamente mis pensamientos y hacer unos recuentos generales de los datos para no olvidar nada. Todo lo anterior concuerda con lo que podemos concluir de nuestra experiencia con los estudiantes ya que el manejo adecuado de las situaciones problema y el uso de pequeñas prácticas experimentales demostrativas, representan una herramienta eficaz en el desarrollo de un tema. Con relación al aspecto experimental se observó un buen trabajo por parte de los estudiantes ya que se observo una correcta interpretación de las situaciones problema. La practica como fue planteada mostro ser positiva, ya que se consiguió generar dudas, mostrando la necesidad de utilizar conceptos matemáticos para encontrar respuestas a las preguntas generadas en la práctica de laboratorio.

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6. Estudio de un dispositivo eléctrico empleado para almacenar energía en forma de carga. 6.1. Tema: El capacitor. 6.2. Realizada por Leonardo Gallego Joya estudiante de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. La propuesta de clase se realizo para los estudiantes de segundo semestre del proyecto curricular de Sistematización de Datos de la misma universidad. En la clase de electromagnetismo. 6.3. La metodología: Primero se aplica una prueba diagnostica (extra clase). Luego se dicta la clase magistral usando las preguntas para explicar el concepto de capacitancia y finalmente se elabora un laboratorio titulado la botella de Leyden. Duración seis horas de clase. 6.4. La clase Se le pidió a los estudiantes resolver las siguientes preguntas extra clase, con el fin de conocer sus ideas previas o preconceptos. a) Si tenemos tres cubetas llenas con la misma cantidad de agua, una esférica, una cuadrada y otra cilíndrica, ¿todas se llenan igual? b) ¿La capacidad de una cubeta de almacenar agua depende de su forma y geometría? c) ¿Que entiende por fluido eléctrico? d) ¿Qué transportaría un fluido eléctrico? e) Si en una cubeta se almacena materia ¿Qué se almacena en un condensador?

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En la clase se trataron las preguntas de la prueba diagnostica para complementar las temáticas vistas bajo los preconceptos de los estudiantes, a medida que se avanzaba en un tema, se lanzaban las preguntas y algunos alumnos dijeron lo que pensaban y a partir de esas interpretaciones se trato de resolver dudas sin salir del contexto de la cotidianidad. Para cada pregunta resalto lo siguiente: Pregunta a) La respuesta de los estudiantes manifiesta una confusión entre masa y volumen donde la forma de los recipientes. En su mayoría contestaron que la forma del recipiente es independiente de la cantidad de agua almacenada. Pregunta b) Los estudiantes definieron que si depende de su geometría y no se llenan igual como la habían comentado antes. Pregunta c) Relacionando con el concepto de fluido se comparo con el fluido del agua. Pregunta d) Los estudiantes relacionaron la palabra fluido con el agua con el transporte de moléculas de oxigeno e hidrogeno mientras que el fluido eléctrico transporta carga eléctrica positiva o negativa. Pregunta e) Con las preguntas anteriores los estudiantes se dieron cuenta que lo que se almacena en un condensador es carga eléctrica en forma de energía potencial electroestática. Otro símil que surgió en clase fue el del almacenaje del agua en los tanques que se colocan en la parte superior de las casas y el almacenaje de carga eléctrica en un capacitor. Después de orientar las preguntas al concepto de capacitancia como el instrumento eléctrico que se utiliza para almacenar carga eléctrica en forma de energía potencial electroestática. Haciendo énfasis en la importancia de su forma geométrica. Se uso las matemáticas para mostrar que los capacitores de placas paralelas esféricos y cilíndricos, depende de su forma y geometría para la capacitancia. Luego añadimos el dieléctrico al capacitor, explicamos sus ventajas eléctricas bajo ciertos parámetros como el campo eléctrico, potencial y carga eléctrica. Observando que la capacitancia de un condensador aumenta y el potencial disminuye y además que la diferencia entre el condensador con o sin dieléctrico nos da una constante característica de los materiales de este tipo (constante dieléctrica). Dependiendo del dieléctrico introducido en el capacitor se clasifican como sigue: electrolíticos, cerámicos, ajustables, de papel, de plástico etc. En esta parte de la clase, los estudiantes preguntaron acerca de la tolerancia de potencial de los diferentes condensadores. 6.5. Laboratorio: LA BOTELLA DE LEYDEN Marco teórico – extra clase. Lea atentamente el laboratorio y resuelva donde aparecen los cuadros La carga eléctrica es un atributo físico que se le confiere a un objeto o a una serie de elementos, que se distingue de los otros atributos físicos, como son, la masa o el color, por que contiene características especiales que solo se pueden apreciar al interaccionar con otros elementos u objetos que contengan el atributo de carga eléctrica. Se puede apreciar la interacción entre dos elementos cargados eléctricamente al observar la aparición de una fuerza que solo afecta a los objetos en cuestión, diferente a la gravedad. Sin embargo solo hasta el renacimiento se inicia un estudio sistemático de la electricidad. Y solo hacia finales del siglo XIX los físicos alcanzaron un claro entendimiento.

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Charles Du Fay demostró en 1730 que las fuerzas eléctricas podrían ser de atracción o repulsión. Aunque el fenómeno se conocía desde épocas de Platón y Aristóteles, como inducción eléctrica de cargas. Estos fenómenos no habían sido estudios con un método científico ni con la rigurosidad de la comprobación experimental. Todos los fenómenos eléctricos conocidos hasta la edad moderna, eran realizados mediante la frotación de las sustancias, o por fricción. Estas sustancias son elementos sólidos. Al frotar el vidrio con la seda, esta ultima termina con más electrones y el vidrio con menos electrones; así la carga del vidrio es positiva y la de la seda negativa. Benjamín Franklin (1706-1790) es el padre de la electricidad como tal, ya que él plantea la idea de la existencia de cargas eléctricas, positivas y negativas además que la electricidad era un solo tipo de flujo no dos tipos distintos como se conocía hasta el momento. Los Experimentos de Franklin eran eléctricos o la invención del pararrayos en 1777 engendró los primeros pasos de la electricidad. En una ocasión pronuncio unas palabras como motivo del primer ascenso de un globo aerostático de hidrógeno en 1783.

Realice varios dibujos explicando la forma como se carga un objeto por inducción.

A mediados del siglo XVIII, ya se sabía que casi todos los materiales sólidos se podían dividir en dos clases los aisladores y los conductores. La distinción tiene que ver con la movilidad de las cargas eléctricas localizadas en el material. En circunstancias normales todos los materiales son eléctricamente neutros, es decir tienen el mismo número de electrones que de protones, cuando un elemento esta cargado negativamente, se ha adicionado electrones. Si el objeto posee una carga positiva, es decir esta cargado positivamente, en la mayoría de los casos no es por que hallan transferido protones, si no más bien por que se le han retirado electrones.

Pinte las partes en que esta conformado una pila voltaica y diga el funcionamiento de cada una de las partes.

Note la bibliografía Hasta 1800 la única manera de producir las transferencias de carga necesarias para observar fenómenos eléctricos se relacionaba con el uso de la fricción. Pero fue Alejandro Volta (1745-1827), quien invento el audiómetro, “partiendo de los estudios de Galvani sobre la construcción muscular de las ranas al contacto con un circuito metálico”, como también la batería en 1799, “con un par de discos de

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cinc y otros de plata alternados y separados entre si por una capa de fieltro húmedo”, el que permitiría trabajar con flujos de carga eléctrica continuos. Existen baterías mucho más antiguas que la Volta, de hace aproximadamente 250 años A. C. de las cuales no se conoce su uso. El invento de la batería abrió las puertas a los investigadores de los flujos eléctricos. ¿Pero como funciona la batería? Es muy fácil, el hecho que exista carga neta en alguna región del espacio, exige que las cargas se hallen separadas de cargas de signos opuestos. Un dispositivo que separe las cargas debe de alguna manera realizar trabajo sobre estas, ya que tiene que vencer las fuerzas eléctricas que se oponen a tal separación. En el caso de la pila voltaica la separación de carga no se hace por fricción. La energía surge del rompimiento y formación de enlaces químicos en el curso de reacciones sucesivas que se dan entre los electrodos y el fluido, en pocas palabras se rompen unas moléculas que se encuentran dentro de un fluido, unas terminan ionizadas por acción de las fuerzas eléctricas, unos iones se van para un lado y los otros de signo opuesto para el otro. Y ahí se tiene la diferencia de potencial necesario en la batería. En 1909 R.A. Millikan partiendo del hecho de que el campo eléctrico entre las placas paralelas de un condensador plano es uniforme y se puede determinar fácilmente, demostró que todos los electrones poseen la misma carga y determinó su valor, el trabajo de Millikan establece la existencia del electrón como una partícula de carga y masas específicas. Fue la confirmación del experimento en la relación de la carga y de la masa del electrón de Thomson de 1897, además que cuantizó la carga eléctrica, así como el fotón es un quantum de energía, el electrón es un quantum de carga eléctrica, es por esta razón que una corriente eléctrica es una cantidad n de electrones con una velocidad v. Se define la palabra capacitancia como capacidad de almacenar algo en un lugar, se implementa el símil con los tanques de agua de la casa. Responde las siguientes preguntas: a) ¿Qué ocurre cuando se va el agua en nuestras casas? b) Si en sus casas hay un tanque de agua ¿sabe usted de cuanta capacidad es? c) ¿Por qué Ley o Leyes físicas es que se deben poner los tanques de agua en la parte superior de las casas? d) ¿Sabe usted extraer gasolina de un auto para llenar un galón. Si lo sabe explique como? e) ¿Sabe usted las principales características de su tanque de agua? ¿Qué volumen contiene, cuanto tiempo le lleva descargarse, de que material esta hecho? f) ¿Qué entiende usted por capacidad?

Note la Bibliografía Al igual que el tanque de agua de nuestras casas el condensador eléctrico es un elemento que permite almacenar, pero en este caso no es agua si no cargas eléctricas más exactamente electrones. Dichos Electrones son una forma de energía eléctrica, así que un condensador almacena energía en forma de cargas eléctricas. También de manera similar nuestro condensador eléctrico almacenará más o menos energía dependiendo de sus características geométricas y del material con que este hecho. La forma más sencilla de un condensador eléctrico, consiste en dos placas paralelas muy cercanas entre sí, con un material aislante entre ellos. Para que un condensador funcione al igual que nuestro tanque, se le debe colocar no agua si no electrones sobre una de sus placas o armaduras. Al hacer esto se inducirán cargas en la otra placa, pero de sentido contrario y en la misma cantidad hay es donde nos damos cuenta que estamos almacenando las cargas. En nuestro tanque de agua la capacidad C, de almacenar agua depende de la cantidad de

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agua que hay en el volumen, así pues la capacidad de almacenar cargas en el condensador también se nota con la letra C y es equivalente a la cantidad de electrones o cargas q, y la diferencia de potencial que hay entre las placas o armaduras que curiosamente se nota con la letra V, como si fuese el volumen de nuestro tanque. Así la ecuación será:

C

q V

.

Esta ecuación se denomina capacidad eléctrica o también en algunos textos como capacitancia. Ahora bien ¿Pero entonces que es la diferencia de potencial eléctrico o simplemente potencial eléctrico? Para los condensadores la situación es la misma. Si una placa o armadora está cargada con electrones (recuerde que los electrones son cargas de signo negativo, ésta tendrá un potencial menor, ahora como hemos indicado cargas positivas en la otra placa o armadura: ésta tendrá un potencial mayor. Hemos creado la diferencia de potencial necesario para poder llevar las cargas de un lugar a otro, al igual que el agua va de la parte superior de nuestras casas al inferior, donde la necesitamos. La diferencia de energía potencial eléctrico está relacionado de manera directa con el campo eléctrico y la distancia a la cual este está actuando

V 

q 4 0 r

El potencial, al ser un tipo de energía es una magnitud escalar. La relación entre energía potencial eléctrica U, y el potencial eléctrico es:

V 

U qp

Donde qp, es una carga de prueba que se coloca a una distancia ® de la carga fuente o generadora del campo eléctrico. Dado que el potencial eléctrico solo depende de la carga eléctrica, la distancia ® a la cual se quiere calcular y lo que existe entre las cargas fuente y el punto a calcular a distancia ® se puede enunciar de la siguiente forma:

V 

qd  0 r a

Donde tenemos la magnitud de la carga en alguna de las dos armaduras o placas q, la separación d entre las placas de área a, y las características del espacio entre las placas  0  r . Por lo tanto tenemos 4 expresiones para calcular el potencial eléctrico. Las unidades de potencial eléctrico es el VOLTIO [V]. Ahora podemos volver a nuestra expresión para la capacitancia o capacidad eléctrica, utilizando esta nueva expresión de potencial

C

 0 r a . d

Así la capacidad de un condensador plano paralelo es proporcional al área de las placas, las características del medio entre ellas e inversamente proporcional a su separación. Las unidades en las cuales se clasifica la capacitancia es el FARADIO. En honor a MICHAEL FARADAY [F].

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Por el año de 1746 en físico holandés llamado Pieter van Mussehenbroek perteneciente a la Universidad de Leyden descubre el primer capacitor o también llamado condensador, y lo llama en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo “Botella de Leyden”: Aunque simultáneamente el mismo aparato fuera descubierto por el inventador alemán Ewald George von Kleist, el nombre de la “Botella de Leyden” quedó en la historia como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia. Un condensador es un elemento físico que se emplea para almacenar energía en forma de carga eléctrica: consta de dos placas metálicas (armaduras) separadas entre si una distancia d, que en el medio lleva una lámina no conductora o (dieléctrico). El fenómeno se puede reducir a un más si tenemos en cuenta que podemos colocar dos sustancias consideradas, separadas por el dieléctrico. 6.6. La construcción de la Botella de Leyden en casa.

Sacado de la página web: http://www.cienciafacil.com/paginaleyden.html Materiales

Un vaso de vidrio, o un recipiente no conductor de geometría cilíndrica con tapa plástica. Papel aluminio o película fotografica, para revestir las paredes internas y externas del recipiente. Alambre de cobre delgado y frotando con lija y otro cable. Una esfera metálica de entre uno y dos centímetros de diámetro. Paño de lana u otra tela de cabello de animal. Tuvo PVC. Procedimiento Primero debes obtener un alambre, corta un trozo de la lámina de aluminio y envuelve con este el frasco de rollo de película fotográfica. Luego debes colocar en el interior otro trozo de lámina de aluminio, si deseas puedes usar pegamento, ten cuidado de hacer secar un buen tiempo porque los gases que se quedan en el interior pueden hacer explotar el frasco. Toma la tapa, haz una perforación e introduce en esta un tornillo y asegura en la parte de abajo un trozo de alambre obtenido de un clip para papel. Este alambre debe hacer contacto con la lámina que colocaste en el interior. Toma un trozo de cable (con varios hilos) y sujétalo en la parte de arriba del tornillo, llamaremos a esta parte "cepillo de colección".: 6.7. Conclusiones de la práctica En la elaboración de los preconceptos fue una herramienta fundamental debido a que antes de enseñar el concepto de capacitancia los estudiantes tenían dificultades con los conceptos de forma geométrica, volumen, masa y capacidad. La cual fue aclarado en la siguiente clase. Con relación a la lectura fue bastante enriquecedora debido a que muchos de los estudiantes investigaron de otras fuentes para contestar las preguntas.

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El laboratorio permitió visualizar tanto las partes que conforman el capacitor como los fenómenos físicos involucarados y tener mayor claridad con los conceptos vistos en clase. En general ha sido una experiencia muy productiva y necesaria para mí como persona, ya que me permitió observar mis debilidades y fortalezas a la hora de desempeñarme como docente, además me sirve para ser tenida en cuenta al momento de ejercer mi profesión. 6.8. Bibliografía [1] Tipler Paul, Física, Volumen II, Editorial Reverté, Barcelona 2000. [2] Resnick, Holliday, krene, Física II, Compañía editorial continental, México 2002. [3]Serway R. Física volumen II.

6. Estudio del magnetismo a partir del altavoz 7.1. Tema: El Amperímetro. 7.2. Realizada por Daniel Ferney Labrador Gutierrez estudiante de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Su trabajo consistía en asesorar tanto en los laboratorios como en los ejercicios propuestos en clase durante el semestre a los estudiantes de segundo semestre del proyecto curricular de Sistematización de Datos de la misma universidad. 7.3. Metodología: El objetivo principal de mi propuesta de clase es la construcción de un amperímetro. Pero antes se llevara al estudiante paso a paso en su construcción con el fin de estudiar todo tipo de fenómeno que se vaya observando. Presentamos varias situaciones problema con el fin de determinar el grado de conocimiento sobre el tema y construimos por etapas el amperímetro teniendo en cuenta que en cada etapa hay unos objetivos que permitirán ver con más detalle la funcionalidad de cada elemento que interviene en la construcción. Introduciendo así todo un gran temario de conceptos y finalmente presentamos un análisis de logros, dificultades y conclusiones con relación al método a cargo del practicante. 7.4. Primera situación problema. 1. “... Al hacer fluir corriente a través de un conductor o cable rectilíneo, se genera un campo magnético alrededor de este, el cuál es capaz de atraer limadura de hierro u otras sustancias afines ubicadas en sus proximidades...” (Tomado de Electricidad y magnetismo de R. Serway, capitulo 30 página 220) Pinte la dirección de la corriente y su correspondiente dirección del campo magnético. Cada cuadro úselo para pintar la corriente a la derecha y el otro hacia la izquierda

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2. “... Si se convierte dicho cable en una espira, al hacer pasar una corriente por dicha espira también habrá generación de campo magnético...” (Tomado de Electricidad y magnetismo de R. Serway, capitulo 30 página 223) Pinte la dirección de la corriente y su correspondiente dirección del campo magnético. Cada cuadro úselo para pintar la corriente a la derecha y el otro hacia la izquierda.

3. “... Si en lugar hacer una sola espira se hacen muchas espiras, el campo magnético generado será diferente. ¿Será más fuerte o más débil que para una sola espira?...” (Remítase a Electricidad y magnetísmo de R. Serway, capitulo 30 página 230) Haga una secuencia de dibujos así: En el primer recuadro con una espira, en el segundo con 10 espiras, en el tercero con 200 espiras y en el último con n espiras

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2

ACTIVIDAD: 3

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Resultados de la situación problema: Al revisar los preconceptos los estudiantes sólo se centren en hacer dibujos y explicar lo que dibujaron. Por lo tanto sentimos dos cosas: que el taller no sirvió para nada o que los estudiantes no conocían nada sobre el campo magnético. Por la premura del tiempo no fue posible construir otro y nos toco continuar con la actividad.

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7.4 Construcción del Amperímetro. 7.4.1 Construcción del electroimán. Tiempo de duración (seis horas de clase). Observar que a mayor paso de corriente a través del electroimán mayor campo magnético se produce. Materiales 20 Metros de alambre de cobre (calibre: 28). Un tubo de cartón (DIÁMETRO = 6 cm). Una caja con clips (O una caja con alfileres). Fuente de voltaje o pilas (1.5 V) - Mínimo 4 pilas.

Multímetro. Cinta. Aguja capotera.

Figura 1 Electroimán Actividad: Tomar el tubo de cartón y hacer un bobinado lo más fino posible (Figura 1), es decir, que entre espira y espira no halla espacio. Percatarse de que queden dos extremos libres para poder hacer posibles conexiones al electroimán. Para tener una variedad de respuestas se sugirió que cada grupo construyera el bobinado con el número de espiras diferentes. n = 200, 500, 1000 hasta 2000. Conecte los extremos libres del bobinado a los bornes de una batería o fuente de voltaje. Luego cambie la polaridad. Haga una secuencia de dibujos de lo que ocurre. Dando una explicación en cada caso, tomado del texto R. Serway, Tomo 2, sección 30.3. Indique la dirección de la polaridad y la dirección de la corriente.

1

2

3

4

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a) Manteniendo fija la polaridad, aumente el voltaje cada ~ 0.4 voltios. Acerque la bobina a un conjunto de clips. b) Complete la Tabla 1, donde se relacionan el número de clips atraídos vs. el voltaje generado por la fuente. Tabla 1. Voltaje No. clips

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De los resultados de la Tabla 1 desarrolle las siguientes preguntas: a) b) c) d)

¿Qué relación se observa entre el voltaje suministrado y el número de clips (o alfileres) atraídos? Si aumentar el voltaje implica aumentar la corriente, ¿Qué relación existe entre aumentar la corriente con el número de elementos atraídos? ¿Cree usted que esto tiene alguna relación con el campo magnético?, si es así, ¿Cuál es?

Nota: Se concluyo de estas preguntas que entre mayor fuera el voltaje mayor era el número de clips atraídos. 7.4.2

Adaptación de un segundo imán.

En la clase magistral se explico la Ley de Ampère y el campo magnético de un solenoide y en el laboratorio se busco que los estudiantes visualizaran los efectos de los campos magnéticos generados por la corriente y por un segundo imán. Materiales Pilas Dos imanes Dos o tres palillos, cinta pegante

Fuente de voltaje Bobinado hecho en el problema 1 Aguja capotera

Actividad Tomar el bobinado hecho en el problema 1 y con la aguja efectuar dos orificios “enfrentados“que pasen por este como señala la Figura 2.

Figura 2: Vistas lateral y frontal del bobinado atravesado por la aguja

Tomar el imán y con la pita efectuar un “amarrado” de tal suerte que el imán pende de este hilo en dos extremos (Figura 3)

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Figura 3: Vistas lateral y frontal de la adecuación del imán para el montaje Se hacen pasar las pitas unidas al imán a través de los orificios abiertos en el tubo del bobinado, no sin antes haber colocado un palillo adaptado al imán (Figura 4).

Figura 4: Adaptación del imán al bobinado Conecten los extremos a una fuente de voltaje, dibuje lo que ocurre y explique por qué ocurre.

Cambie la polaridad, dibuje lo que ocurre

Aumente el voltaje gradualmente y haga una secuencia de dibujos indicando lo que se observa y explique.

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Clase magistral Se explicaron los conceptos de: fuerza magnética sobre partículas cargadas, fuerza magnética sobre un conductor de corriente y momento de fuerza sobre un lazo de corriente en un campo magnético uniforme, se propuso resolver los ejercicios del capitulo 29 de la Serway cuarta edición tomo 2 con relación al tema de la fuerza magnética sobre conductores de corriente. 7.5 Terminar de construir el Amperímetro. Materiales El dispositivo hasta el momento construido. Una fuente de voltaje o pilas (1.5 v), mínimo 3 por cada grupo. Actividad Para este punto se pide a los estudiantes que consigan un transportador pequeño en casa, y que previamente lo modifiquen para que quede como presenta en la Figura 5.

Figura 5: Transportador modificado para adaptar

Adapten este “transportador modificado” a su montaje de bobinado con imán con el fin de que el palillo ubicado en el imán pueda registrar un corrimiento en grados (Figura 6).

Palillo

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Figura 6: Vista frontal de la adaptación del transportador al bobinado Tomando el dispositivo creado en el grupo, conecten los extremos libres de este a los bornes de una fuente de voltaje y varíen gradualmente dicho voltaje para así ir registrando el ángulo que va demarcando el medidor (palillo en el transportador). Para ello complete la Tabla 1. Tabla 1 Grados I=V/R

Haga una gráfica de la Tabla 1 con su respectivo análisis, recordando que la resistividad para el cobre es -08 de 1.7 x 10  m, tener en cuenta que se aproxima la geometría del cable como si fuese un cilindro -07 2 cuya área transversal es de (1.02 x 10 ) m , así como también tener en cuenta la longitud original del cable (10 m). Posterior a esto, pasen a otro amperímetro creado por otro grupo y efectúen el mismo proceso de toma de datos; tengan muy en cuenta el número de espiras que el montaje a trabajar tiene. Luego seguirán con otros amperímetros y así sucesivamente. Clase magistral: Se resumió todo lo visto.

7.5 Conclusiones En este último tramo del documento, se presentan los logros, las dificultades y las conclusiones que se pudieron observar en el desarrollo de la práctica. Para lograr esto, se analizarán ciertos aspectos que se cree son importantes a la hora de efectuar un estudio serio de este tipo. Estudiantes LOGROS:  Se observó una excelente disposición para la comprensión del tema como tal, pues la parte de preconceptos la han sabido trabajar de una manera libre y espontánea, explorando en su propio intelecto la posibilidad de expresar lo observado a través del dibujo.  Hubo bastantes grupos de trabajo los cuales quisieron ir más allá de las actividades propuestas evidenciándose esto en su interés por adelantar gran parte del trabajo propuesto en horas extra clase y conllevando esto a la creación del bobinado.  En la hora de ejercicios y cuestionamientos afines a la actividad, se observó una muy buena disposición y buen sentido de crítica ante los diferentes ejercicios planteados, observándose esto en el hecho de que los estudiantes aportaban bastante en el momento de efectuar una plenaria de la actividad. DIFICULTADES  Una primera dificultad radica en que para algunos grupos de trabajo la responsabilidad llevar los materiales de la actividad se recargaba en sólo un estudiante y esto conllevaba a que si por algún motivo este estudiante se retardaba en llegar a la clase o bien no traía completos los materiales se perdía tiempo valioso para el desarrollo de la actividad.  Es claro que cierto tipo de actividades gustan a algunos más que a otros, lo cual llevó a observar que en algunos grupos de trabajo existía cierta displicencia para con la actividad y no se tomaban muy en serio las actividades propuestas.

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 Es importante recalcar en los estudiantes la necesidad de que la puntualidad y la coordinación en ciertas actividades permiten hacer de estas más amenas y productivas, es por ello que se visualiza importante el que como grupos de trabajo dialoguen previamente a la actividad en pos de preparar esta lo mejor posible para hacerla más dinámica y didáctica.  Falta una lectura más a fondo de lo que las guías de laboratorio pretenden presentar, en el sentido de que los estudiantes como tal solo se limitan a hacer ciertos pasos en el tratamiento y no van más allá en el análisis, esto es, solo se limitan a los pasos de la guía y a veces no los terminan o no profundizan en ellos.  La materia – Física LOGROS  Se observa que el desarrollo de esta actividad permitió al practicante brindar a los estudiantes una perspectiva de la física, a través de la cual no sólo se trabaja en este campo con fórmulas y/o ecuaciones, sino también con la posibilidad de crear implementos útiles para la vida a partir de los conceptos que la misma física proporciona.  Se pudo ver que fue muy ilustrativo el hecho de relacionar los conocimientos que los estudiantes podían aprender con la construcción de un dispositivo el cual comprometería muchos de estos conceptos. Esto permitió en gran medida ilustrar a los muchachos acerca de lo que podría ocurrir físicamente y con la confrontación teórico - experimental se pudo contrastar los puntos de vista para así brindar un punto de vista más adecuado. DIFICULTADES  La falta de ciertas bases matemáticas del cálculo diferencial e integral se hicieron presentes en el momento de hacer ágil la explicación de algunos conceptos, con lo cual se optó por hacer énfasis en las explicaciones físicas de estas expresiones matemáticas convirtiendo a esta dificultad en un buen logro en pos de la óptima explicación de las temáticas.  Se observo en los estudiantes dificultad en el momento de pensar en el analizar la situaciones que se le presentaban y no había poca participación en el momento de discutir sobre el tema lo que yo concluía es que los estudiantes no lee sobre el tema antes de ingresar a la clase. Se conforman con la explicación del docente. Dinámica del aula LOGROS  Fue muy bueno el respeto de los tiempos y los espacios en el desarrollo de la actividad de parte tanto de los estudiantes como del practicante, esto conllevó a que la mayoría de los grupos organizasen lo mejor posible el trabajo en conjunto y lograran evitar al máximo dejar trabajo para sesiones extra.  Se percibió también un buen sentido de compañerismo en la mayoría de los grupos, en el caso por ejemplo en que algunos grupos carecían de ciertos materiales y ante esto los demás procuraban ayudarles para así poder llevar a cabo la actividad lo más completa posible. DIFICULTADES  Lamentablemente hubo algunos grupos (muy pocos), los cuales no contaban con la mayoría de los materiales, lo cual tentó a retrasar la actividad para ellos y lo cual conllevó a que en algunos grupos unos pocos trabajaran y los otros o se sentaban a hablar o solo hacían de espectadores pudiendo quizá desarrollar otras actividades en pos de la agilización de la actividad.

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Papel del profesor Como tal, es necesario hablar del papel de la docente Patricia Abdel como un personaje que influyó de manera muy constructiva para el practicante en el sentido que le presentó muchas perspectivas de la enseñanza y la docencia que quizá como docente no habían sido tenidas en cuenta de parte del practicante y que a través de la experiencia. Entre los puntos de vista del papel de la profesora se pueden notar:  En el momento de realizar la actividad, su postura fue la más respetuosa en cuanto a que permitió al practicante que él solo plantease la situación, el desarrollo y las diferentes asesorías a los grupos de trabajo.  En los instantes de confrontación teórico-experimental, hacía intervenciones oportunas a favor de la profundización de los conceptos.  Al plantear la actividad, hizo excelentes observaciones en cuanto tiene que ver con la organización de los temas, la presentación de las actividades, los materiales requeridos para el desarrollo de la actividad entre otros, presentando su punto de vista de forma bastante crítica con miras al mejoramiento y buen funcionamiento de las actividades. Conclusiones en general.  Se realizó la construcción del amperímetro paso a paso explicando temas referentes al campo magnético.  Se desarrollaron diferentes actividades de tipo gradual de forma tal que cada una de estas conllevase en su esencia una serie de nuevos conceptos los cuales se percibió que los estudiantes adoptaron muy bien al ver la aplicación de estos.  Se hace necesario seguir implementando nuevas técnicas y/o estrategias para la óptima enseñanza de los conceptos físicos que se encuentran ligados con relaciones del cálculo (diferencial o integral), y que aunque abarcan cierto tiempo en su explicación son vitales para una óptima acepción del concepto implicado.  Se concibe importante que con este tipo de actividades se busque presentar la física a los estudiantes de una forma agradable y que ellos vislumbren como un medio para presentar la aplicabilidad a la cotidianidad, escapando del arquetipo de la física como sólo fórmulas.

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8. Aplicación de la Ley de Ampère. 8.1. Tema: Calculo del campo magnético terrestre. 8.2. Realizada por Yudy Andrea Cardenas estudiante de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Realizo la práctica docente los días lunes, miércoles y viernes de 8 a 10 am. A dos grupos de electromagnetismo. 8.3 Metodología: El plan de clase se desarrollara en dos clases. En la primera clase se desarrollaron los siguientes ítems: 1. Se explico el concepto de fuerza magnética y sus características (dirección, unidades y líneas de inducción), se realizo el cálculo del campo magnético de un alambre que conduce una corriente usando la ley de Ampère y se explicó las características generales de los imanes (sus polos, fuerzas de atracción y repulsión entre ellos y su inseparabilidad). 2. Se realizaron experiencias que mostrara las algunas propiedades de los campos magnéticos como: colocar limaduras de hierro sobre un papel de cuaderno y por debajo del papel se ubicaban los imanes con diferentes polaridades, acercar una brújula a un electroimán con el fin de mostrar que la aguja de la brújula se desviaba aun mas cuando esta aproximaba mucho al electroimán y mostrar que el electroimán es otra forma de construir un imán. En la segunda clase se desarrollo la práctica de laboratorio. 8.4 Laboratorio Objetivo Medir el campo magnético de la Tierra aplicando la Ley de Ampère. Materiales

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Una bobina Fuente de escalón Reóstato de phillip Harris de 25

Conectores banana -banana Una brújula, Un multímetro

Marco Teórico Consultar sobre la magnitud del campo magnético terrestre medido usando diferentes métodos. Y mostrar el procedimiento para llegar a que el campo magnético de una bobina es:

BL  Siendo,

n

1  0 ni 2

(1)

N (número de vueltas por unidad de longitud) y  o la permeabilidad magnética del vacío. L

Descripción del experimento a) Es necesario que la brújula se encuentre orientada hacia el norte antes de conectar la fuente. b) Para variar la corriente en el circuito propuesto en la práctica de laboratorio, debe variar la resistencia, con el reóstato. Recuerde que al variar la corriente, hace que la aguja de la brújula cambie su ángulo. c) Debido a que el montaje experimental, funciona como un teslometro (Instrumento que mide la magnitud del campo magnético) Se debe mantener la resistencia constante y variar el voltaje, además es importante tener en cuenta que el campo magnético de la Tierra (BT) afecta las mediciones. Al graficar BT en función de BL, se obtiene que la pendiente corresponde a la tangente del ángulo de desviación de la aguja de la brújula (  ) y por lo tanto se tiene la siguiente relación:

B L  B T tan  y

(2)

Procedimiento 1. Medir la resistencia total R del reóstato. 2. Dividir el valor total de la resistencia en cinco partes iguales e indicarlas sobre el reóstato. ( R1 , R2 , R3 , R4 y R5 ). 3. Ubicar la hoja de papel, con ayuda de la brújula, en el sentido norte - sur. 4. Conectar el polo positivo de la fuente en escalón a la bobina, el negativo al reóstato y este ultimo a la bobina. 5. Variar el voltaje aplicado (V de 5 a 8 voltios), manteniendo constante el valor de la resistencia y registrar el ángulo de desviación de la aguja. 6. Variar la resistencia, manteniendo constante el valor del voltaje aplicado y registrar el ángulo de desviación de la aguja. 7. Graficar BL vs. tan α, y a partir de la gráfica hallar el campo magnético de la Tierra. (Ecuación 2). +

Reóstato 52

Bobina Figura 1: Montaje Toma de datos V= 5V R (Ω) α

Tan α

i(A)

Tabla 1. Ángulos para 5V, cuando la resistencia es variable. V= 8V R (Ω) α

Tan α

i(A)

Tabla 2. Ángulos para 8V, cuando la resistencia es variable. 1. ¿Cual es el tipo de relación (directa o inversa) entre el campo magnético del solenoide y la tangente del ángulo de desviación? 2. ¿Cuál es el valor de la pendiente de la gráfica y qué significa? 3. Es diferente el campo magnético hallado experimentalmente con los consultados. Si es diferente indique el por qué. 8.5 Conclusiones Sobre la clase: En cuanto a las demostraciones respecta, para el primer grupo de estudiantes los montajes experimentales se rotaban mientras se daba la clase, perdiéndose información, ya que mientras se seguía con la clase los estudiantes debían observar las experiencias. Dicha situación no se repitió con el siguiente grupo de estudiantes, porque primero se dio la clase y luego se les pidió a los estudiantes que se acercaran a observar las experiencias. Lo que podemos observar es que los montajes permiten un acercamiento cualitativo a la fenomenología del campo magnético, donde se logró dejar inquietudes alrededor de que no sólo un imán es capaz de crear un campo magnético sino la corriente en movimiento. Se explicó como funciona la regla de la mano derecha, teniendo dificultades debido a que los vectores deberían ser ubicados en tres dimensiones, pero al final se logró entender el tema realizando ejercicios. Como la fuerza magnética y el campo magnético son vectores se realizó un ejemplo donde se hallaba la fuerza magnética sobre una partícula, conocidas la velocidad y campo magnético dados en forma vectorial. En el desarrollo de este ejemplo se repaso el producto curz entre vectores.

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Luego de terminar la exposición de la clase los estudiantes realizaron varios ejercicios con lo que aclararon dudas y aplicaron lo que se había comprendido durante la clase Sobre el laboratorio: La práctica de laboratorio se realizo con la finalidad de acercar a los estudiantes a los instrumentos básicos de electrónica. Además de integrar experimentalmente los conceptos de corriente y campo magnético, para lograr un análisis cuantitativo de lo visto en la clase. Durante la práctica se explico el funcionamiento de los materiales como: la brújula, el voltímetro, el ohmímetro. Durante este espacio los dos grupos se presentaron inquietudes respecto al porque no se desviaba la aguja de la brújula y a partir de la experimentación se determino que dependía de la distancia entre la brújula y la bobina, así que se calculo esta distancia y se fijo. A partir de la experimentación se encontró que la desviación de la aguja también dependía del número de espiras de la bobina, el voltaje y la resistencia aplicada. De los resultados de los estudiantes se observó que el 80% de las gráficas de

BL

vs.

tan  y se

aproximaban a una línea recta, aunque en algunos casos solo se realizó la grafica de 5 o 8 voltios, lo que da a entender que no fue suficientemente claro que se debían realizar las dos gráficas una para 5 V y la otra para 8 V, para comparar los valores de las pendientes entre ellas. En cuanto al análisis de resultados, los estudiantes 90% se limitaron a contestar las preguntas propuestas en la guía, mientras el porcentaje restante de estudiantes escribió en su informe otras relaciones que pudieron observar, como: “También nos damos cuenta que entre mas resistencia tiene menos grados la brújula cambia, con esto podemos concluir que es inversamente proporcional” Aunque esta conclusión extraída de uno de los informes de laboratorio entregados no es muy clara, deja una gran satisfacción en cuanto la práctica de laboratorio, puede proporcionar más relaciones entre variables físicas, como la resistencia, el voltaje aplicado, el campo magnético y el ángulo de desviación. Específicamente con la pregunta, cuál es el tipo de relación (directa o inversa) entre el campo magnético del solenoide y la tangente del ángulo de desviación. La mayoría de los estudiantes contestaron únicamente si era directa o inversa, pero no explicaron porque, lo cual da entender que no se tiene conocimiento acerca identificar cual es la variable dependiente o independiente y se ratifica en la pregunta dos en la cual hallan la pendiente, pero no le dan un significado físico. 6

El valor del campo magnético obtenida por los estudiantes fue de 1.4  10 T aproximadamente para todos. Ningún estudiante explico por que del error. Una forma de solucionarlo es sugerir a los estudiantes que consulten sobre el valor del campo magnético y la forma como otras personas lo han calculado y de esta forma realizar una comparación más objetiva con los valores obtenidos experimentalmente. Algunos de los problemas experimentales para enseñar la fuerza magnética se debe pensar en tres dimensiones y abstraer lo que sucede en un problema específico de esta forma. La práctica experimental logró el objetivo propuesto, pero debe complementarse, al igual que se debe solicitar o explicar si es debido, a los estudiantes un análisis más profundo de los resultados y las gráficas. 8.6 Bibliografía [1] Serway Raymond. Física. Volumen II. Editorial Mc. Graw Hill. Colombia, 1997.

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9. Estudio del campo magnético junto con la inducción de la FEM usando el altavoz. 9.1. Tema: Campo magnético en bobinas y en imanes. 9.2. Realizada por Luis Alberto Torres Ramirez estudiante de Licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Realizo la práctica docente los días lunes, miércoles y viernes de 8 a 10 am. A veinte estudiantes 9.3 Introducción: Se realizo una actividad que involucre los conocimientos adquiridos durante el curso, en la construcción del altavoz. Es claro que el altavoz parece estar más inclinado en lo referente a un fenómeno acústico, pero la idea es utilizarlo para explicar fenómenos electromagnéticos. 9.4 Metodología: El campo magnético se expone en clase y se entrega el taller de laboratorio titulado el altavoz. El taller de laboratorio del altavoz dinámico se planteo de tal manera que los estudiantes realizaran el prototipo o en casa siguiendo las indicaciones de la guía, luego para la toma de datos la realzamos en el laboratorio, en tanto que se evaluaba la actividad mediante una sustentación en la que se midiera el progreso del manejo del tema a partir de la actividad del altavoz.

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Prototipo del altavoz 9.5 Laboratorio 1. Objetivos Aplicar los conceptos de corriente, campo magnético en bobinas y en imanes, para la construcción de un altavoz. Verificar a través de la elaboración de un altavoz los conceptos de campo magnético y fuerzas que generan sobre hilos conductores de corriente otros campos magnéticos. Familiarizar a partir de la actividad los conceptos ondulatorios involucrados en la actividad. Los conceptos que se verificaran mediante la actividad se han visto en clase, por lo tanto en la siguiente sección se introducirá en el concepto de altavoz y su relación con los conceptos que se quieren aplicar. 2. Marco Teórico Consultar sobre el campo magnético en el interior de una bobina, la Ley de Ampère, Ley de Faraday y FEM de movimiento. 3. Materiales 1. Cono o diafragma. 2. Campana. 3. Imán cilíndrico permanente. 4. Imán de alta inducción.

5. Bobina móvil. 6. Membrana de sujeción. 7. Cables de conexión de la bobina móvil. 8. Bornes de entrada.

Figura 1: altavoz dinámico Un altavoz dinámico esta constituido por las siguientes partes (Figura 1): Cono: El cono o diafragma esta fabricado de material fibroso y liviano, con el fin de que ofrezca la menor inercia posible. La forma del diafragma es muy diversa según el margen de frecuencias que va a reproducir y la potencia admisible del altavoz.

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La Campana: La campana esta fabricada con una placa muy delgada de metal, que tenga alta rigidez pues es sobre esta que se colocaran todas las partes constituyentes del altavoz. Imán permanente: El imán permanente es el sistema de excitación del altavoz. Consiste en un imán cilíndrico, ubicado dentro de la bobina y otro de alta inducción. Bobina móvil: La bobina móvil esta constituida por un devanado montado sobre un tuvo cilíndrico. Dicho tubo debe poseer unas características muy especiales, ya que ha de ser capas de soportar los esfuerzos que se originan durante el bobinado. El devanado de la bobina debe realizarse con gran exactitud, tanto eléctrica como mecánica. El grueso del hilo depende de la carga que deba admitir el altavoz y su aislamiento debe ser de gran calidad para evitar cortocircuitos entre espiras. Membrana de sujeción: Esta parte juega un papel muy importante ya que es la encargada de unir el cono con la campana del altavoz, por tanto debe ser en lo posible de un material elástico que permita al cono moverse sin dificultad, de lo contrario se impedirá el movimiento del cono y este no podrá transmitir suficiente energía al aire para que permita percibir el sonido. Sistema de conexión de la bobina móvil: Consiste en dos hilos que por la parte posterior del cono, unen los bornes de la bobina con dos bornes situados sobre la campana del altavoz por la parte posterior de la campana del altavoz. Dichos bornes deben ir situados sobre una regleta aislante de manera que no genere cortocircuito con otras partes del altavoz. Los materiales con los que se pretende elaborar el altavoz se enumeran a continuación. 4. Construcción Materiales: a. El cono, se pueden escoger entre: cartón cartulina, papel acuarela, pergamino de 180 g (el gramaje indica el grosor del cartón, no la cantidad), cartulina durex. La cantidad depende del tamaño del cono, pero con un octavo de pliego será a suficiente. Fácil de conseguir en papelerías. b. La campana o el soporte en el cual se construye el altavoz lo mas recomendable es conseguirse una caja vacía de Cd (en los que vienen 25 o 50) para utilizarlo como soporte donde ira armado el altavoz, es necesario por tanto ir ajustando a partir de este todas las medidas. El imán permanente se puede conseguir de algún altavoz que ya no sirva pues estos generan un gran campo magnético, si no lo tienen pueden conseguirlo en un taller de reparación de estos electrodomésticos, se recomienda también conseguirse otro imán, este debe ser cilíndrico pues sobre este se colocar ´a la bobina móvil, en total son dos imanes. c. La bobina móvil se necesita un cilindro de cartón que sea rígido pero no grueso, el que mas se acerca a esta descripción es el pergamino de 180 g, el tamaño del cilindro depende del tamaño del imán cilíndrico al que cubrirá. También se necesitara de hilo de cobre esmaltado que preferentemente sea calibre 30, necesariamente este hilo deben comprarlo en talleres donde hacen bobinados de motores, este hilo es delgado no vayan a utilizar alambre, el objeto es que se van a manejar corrientes pequeñas y que el hilo se deje manejar, compárenlo con el hilo de cobre de algún altavoz que puedan observar internamente. La membrana de sujeción pueden hacerla de tela licrada o con espuma fomy, la tela la consiguen de donde puedan, si quieren usar fomy lo consiguen en papelerías claro esta, el fomy debe ser del mas delgado que consigan por que de su rigidez depende que suene o no el altavoz. Para el sistema de conexión de la bobina móvil pueden conseguir los bornes para altavoz en un almacén de artículos electrónicos. Además de los materiales mencionados anteriormente necesitan también silicona liquida, superbonder ´o pegas tic, tijeras, compas, regla, bisturí, lápiz, una hoja blanca, cinta adhesiva.

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5. Procedimiento a. Construcción del cilindro de pergamino Tome el imán cilíndrico y enrolle cinta adhesiva alrededor del imán (Figura 2) de manera que este quede unos dos milímetros más grueso. Luego tome papel pergamino y corte un rectángulo cuyas medidas correspondan al perímetro del imán cilíndrico con medidas de 3 o 4 cm.

Figura 2: Imán cilíndrico

Figura 3: Corte del Pergamino

Luego tome el papel pergamino (Figura 3) y aplique silicona en uno de los bordes (área sombreada), corte un trozo de papel bond de (1 cm x 4 cm) y únalo al borde del pergamino al que le aplico silicona. Luego una las puntas del pergamino para formar el cilindro y aplique silicona en la otra área sombreada y con el papel bond que le sobra selle el cilindro (Figura 4), pruebe que al introducir el imán en el cilindro de papel pergamino este se mueva libremente, si no lo hace, repita el proceso hasta que el imán se mueva fácilmente. El cilindro terminado debe quedar como en la (Figura 5).

Figura 4: Papel Pergamino y el imán cilíndrico

Figura 5: Cilindro de papel ya terminado

b. Construcción del cono Tome la caja de Cd y tenga en cuenta sus medidas para que cuando construya el cono lo deje de un radio menor de la tapa de la caja de Cd, por ejemplo el radio del a caja de Cd es de 6 cm entonces el radio del cono debe ser de 4 cm el espacio entre estos es en el que va la membrana que une el soporte y el cono.

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Figura 6: Círculo y líneas de corte

Figura 7: Cono

Figura 8: el cono con el cilindro

Se toma el material que hayan dispuesto para el cono y corte un circulo de un radio de 7 cm (Figura 6), en este circulo marque el radio del circulo y corte por esta línea. Una vez hecho el corte forme el cono, ahora busque que el cono en su base circular tenga un radio de aproximadamente (4 cm), marque con un lápiz lo que sobra y recorte este pedazo (Figura 7), del mismo modo que hizo para pegar el cilindro de papel, pegue también el cono del parlante, luego coloque el cilindro de papel en la punta del cono y marque con un lápiz donde va a entrar el cilindro luego corte esta sección. (Figura 8) c. Construcción de la bobina Se traza sobre el cilindro de papel pergamino a 3 mm del borde una línea de guía (Figura 9), luego unte un poco de silicona en la región en donde vaya a enrollar el hilo de cobre, tome una punta del hilo y deje por lo menos unos 15 cm a partir de los cuales va a empezar a enrollar el hilo de cobre, con el imán adentro para que al bobinar no se deforme el cilindro de papel, cuente al menos 25 vueltas, luego sin hacer cortes en el hilo, enrolle otras 25 vueltas por encima de la capa anterior, haga por lo menos tres capas y para finalizar aplique un puntico de silicona donde termina el bobinado para que no se desenrolle, como al inicio deje otros 15 cm de hilo para que luego pueda conectar estos a los bornes del altavoz.

Figura 9: Bobina terminada

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d. Construcción de la base donde van los imanes

Figura 10: Tapa inferior de la caja de Cd

Figura 11: Imanes en el soporte inferior

Tome la tapa inferior de la caja de Cd (Figura 10) y retire el eje donde van colocados los Cd, con el fin de dejar un agujero para introducir los dos imanes, retire la cinta del imán cilíndrico que se le había colocado inicialmente (Figura 11) los imanes deben quedar pegados al soporte utilice silicona. e. Ensamble del altavoz

Figura 12: Membrana colocada al cono

Figura 13: Unión de la bobina y el cono

Pegue el papel fomy al cono (Figura12) luego usando silicona una el cono con la bobina (Figura 13) Tome el borne a donde se soldaran los cables de la bobina y sujételo al soporte con ayuda de un destornillador (Figura 14).

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Figura 14: Borne sujeto al soporte Termine de pegar la membrana al soporte y así juntar todo, luego con el bisturí pele un poco las puntas del hilo esmaltado y con un cautín solde los cables a las terminales o bornes del altavoz. La caja debe cerrar fácilmente no debe quedar forzada ni la bobina ni la membrana. Finalmente ensáyelo para esto consiga un plug de un parlante y conéctelos a las terminales del borne del altavoz y conéctelo a un radio o grabadora, con mesura vaya subiendo el volumen del artefacto hasta que lo estime conveniente, recuerde no forzarlo mucho pues todo tiene un limite y el modelo esta hecho con fines explicativos.

Figura 15: Modelo terminado f.

Cálculos y mediciones

 

¿Que papel toma el fomy? Cuando los dos campos magnéticos se atraen. Halle el campo magnético que se genera en el interior de la bobina del altavoz, aplicando Ley de Ampère. Halle el campo magnético del imán, hágalo de la misma forma que hizo para medir el campo magnético de la bobina en el laboratorio del Teslametro. Para medir la corriente que pasa por el bobinado, esto lo hace colocando el parlante en serie con el multímetro y la grabadora para medir corriente, con el multímetro colocándolo para medir corriente alterna y anotando un valor promedio, deben conocer también el radio de la bobina y el numero de vueltas del alambre.



9.6 Conclusiones 9.6.1 Conclusiones de los cálculos 1. Un grupo respondió las siguientes preguntas de la siguiente forma:  ¿Que papel toma el fomy?

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



Respuesta: La fomy funciona como un resorte así que cuando la bobina sube, sube el cono hasta una cierta distancia y la hace bajar. Cuando los dos campos magnéticos se atraen. Respuesta: como hay dos imanes uno de campo magnético fijo y el otro de campo magnético variable este ultimo cambia su polaridad en el tiempo por lo que en algunas ocasiones se tiene polos iguales (se repelen los imanes) y en otra polos diferentes (se atraen los imanes). Por lo tanto se atraerán cuando los polos de los imanes sean diferentes. Calcule el campo magnético y la fuerza magnética de la bobina: Respuesta: Numero de espiras: 77. Longitud de la bobina: 0,011 m. Radio de la bobina: 0,027 m.

I  0 , 078 A . N  6 ,86  10  4 T . Usando la ecuación: B   o I L Y determinaron la fuerza magnética: F  ILB  5 , 88  10 Corriente eléctrica:

7

N

.

Las otras preguntas no se contestaron. 2. Los demás estudiantes o utilizaron mal las ecuaciones y contestaron mal las preguntas o no contestaron nada. Preguntas hechas en forma oral 1. ¿Como hacer para que la bobina se mueva con más fuerza sin que sea necesario cambiar el imán fijo? 2. ¿Como funciona el altavoz? 3. Explique el proceso por el cual el cono y la bobina se mueve hacia arriba y hacia abajo. 4. ¿Que tipo de corriente pasa por la bobina? 5. Mencione si el experimento induce FEM. Si es así hállelo. 6. Si el altavoz no se conecta al radio sino al amperímetro y se hace que el cono se mueva hacia arriba y hacia abajo ¿puede esperar algún efecto en el amperímetro? ¿se produce FEM? 9.6.2 Conclusiones de la evaluación oral Las respuestas de los estudiantes mas frecuentes fueron: Pregunta 1 a. b. c. d.

Aumentar el número de espiras de la bobina. Que la bobina y la base que se pueda mover libremente. Aumentar la corriente. Aumentar el campo magnético en la bobina lo que hace que se produzca movimiento en el cono y esta a su vez produzca ondas de sonido.

Pregunta 2 En general los estudiantes contestaron lo siguiente

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Al entrar la corriente alterna a la bobina genera un campo magnético variable (de polaridad variable) y al interactuar con el imán fijo (de polaridad fija) se producen fuerzas de atracción y repulsión que son capaces de mover la bobina con el cilindro que es el que mueve las partículas de aire generando variaciones de presión transmitiéndose el sonido. Al moverse el cono con la bobina que esta sujeta a la formi que tiene como fin centrar el altavoz en su posición de reposo. Pregunta 3 En general los estudiantes contestaron lo siguiente Al entrar la corriente eléctrica a la bobina móvil donde se crea un campo magnético variable y una polaridad variable. Cuando este interactúa con el imán fijo, se produce una atracción y repulsión magnética que hace mover la bobina móvil hacia arriba y hacia abajo. Pregunta 4 En general los estudiantes contestaron que era la corriente alterna. Pregunta 5 Aquí se noto la diferencia entre ir a la clase o no ir, ya que los estudiantes que fueron a clase contestaron lo siguiente: a. No produce FEM, sin dar una explicación. b. No produce FEM, debido a que no hay corriente inducida, la corriente llega de la fuente. Y los que no fueron: c. Si, produce FEM por que debido a la corriente alterna que le llega a la bobina ella crea su propio campo magnético que interactúa con los imanes. Ninguno lo calculo. Pregunta 6. Se dividieron en dos grupos los que estuvieron en clase de la Ley de Faraday y los que no. a. Los que no estuvieron no contestaron. b. Los que si estuvieron en clase recordaron el experimento de Faraday que se realizo en clase (donde se movía alejándose de la bobina unida a un amperímetro, donde se mostraba que se inducia una corriente eléctrica, lo que se indica por medio de la desviación de la aguja del amperímetro durante el movimiento del imán). Y recordaron que hay fem cuando se inducia una corriente eléctrica ya se por que el imán se mueva a través de la bobina o viceversa. 9.6.3 Conclusiones de la práctica La experiencia de laboratorio fue interesante ya que en la construcción de altavoz los estudiantes mostraron mucho entusiasmo en la construcción y en la sustentación oral. Mostrando que el experimento es el medio por el cual el estudiante se forma una imagen del fenómeno que sea consistente con los fundamentos discutidos en las clase y que concuerden con la experiencias del estudiante. Otro punto importante es que el estudiante se familiariza con los aparatos de medición y el significado que tiene para este las cantidades que esta midiendo lo que le servirán para el proceso de formación profesional, pues el área en que se desenvolverá el estudiante necesita de estos conocimientos ya que son la base en el funcionamiento de artefactos electrónicos con los que el esta familiarizado en su profesión.

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Observamos que la parte conceptual del fenómeno fue aclarado pero en el momento de verificarlo matemáticamente no se realizo posiblemente por que tienen dificultades en esta área, o por que no lo crearon necesario. 9.7 Bibliografía [1] Zitzewitz Paul W, Física principios y problemas, McGraw-hill, junio del 2005. [2] Serway Raymond A, Física Tomo II. Cuarta edici´on,McGraw-hill,1997. [3] Ruiz Francisco, Manual de Baffles y Altavoces, Ed CEAC 1978. [4] Ortega Basileo P, Electroacústica Altavoces y micrófonos, Pearson Educación. 2003. [5] Lea Susan M, Physics The Nature of Things, Brooks/Cole Publishing Company. 1997

10. Estudio del campo magnético a partir del funcionamiento del motor eléctrico.

10.1. Tema: Campo magnético en bobinas y en imanes. 10.2. Realizado por Sergio Hidalgo Franco practicante de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Su práctica la desarrollo los días lunes, miércoles y viernes de 8 a 10 am a veinte seis estudiantes de la carrera de Tecnología en sistematización de datos en la asignatura de Electromagnetismo. 10.3. Marco Pedagógico: Se realizo la propuesta teniendo en cuenta el desarrollismo pedagógico y los grandes aportes de Dewey. Características fundamentales del desarrollismo pedagógico • El maestro es un facilitador, estimulador de experiencias. • Creación de ambientes y experiencias según sus estructuras cognoscitivas. • El estudiante construye sus propios contenidos de aprendizaje.

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Principales aportes de Dewey al desarrollismo pedagógico • Consideración de alguna experiencia actual y real. • Identificación de algún problema o dificultad suscitados a partir de esa experiencia. • Inspección de datos disponibles, así como búsqueda de soluciones viables. • Formulación de la hipótesis de solución. "Le dan a los alumnos algo que hacer, no algo que aprender; y si el hacer es de tal naturaleza que 3 demanda el pensar o la toma de conciencia de las conexiones; el aprendizaje es un resultado natural.” . 10.4. Introducción: la práctica se dividió en tres etapas que se explicarán a continuación: La primera etapa: Se entrego a los estudiantes el taller que mostraba la forma como deberían construir el motor. Este fue diseñado y elaborado previamente por el practicante con el fin de tener un modelo. Anexo 1. La segunda etapa: Se planeo la clase que se dividió en dos momentos. El primero que consistía en desarrollar la parte teórica y la segundo en reforzar lo anterior con un taller. Momento 1: El practicante planea la clase cuyos temas a tratar son: la fuerza magnética en un conductor que conduce corriente, momento de torsión sobre un lazo de corriente en un campo magnético 4 uniforme, la clase es preparada con el texto guía de clase Serway y Conceptos básicos de electromagnetismo de la profesora Patricia Abdel. Momento 2: Se diseño un taller que contenía una lectura y ocho preguntas que contienen los conceptos anteriormente explicados. 10.5. Lectura propuesta (Momento 2). MOVIMIENTO DE TORSIÓN SOBRE UNA ESPIRA DE CORRIENTE EN UN CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME Considere una espira de corriente que conduce una corriente I en presencia de un campo magnético uniforme en dirección paralela al plano de la espira como se muestra en la Figura 1 la fuerza sobre los puntos en a es cero debido a que estos están paralelos al campo; por tanto

3

http://es.wikipedia.org/John Dewey

4

Física Serway, cuarta edición, Mc Graw Hill, Capitulo 28, pag 837-843.

65

  ds  B  0 .

Figura 1. Para analizar la fuerza que existe en los puntos b tomaremos el semicírculo formado por la espira Figura 2.

Figura 2.

  b  F1  I (  ds )  B a

Para encontrar la fuerza sobre la parte curva, debemos escribir primero una expresión para la fuerza

    dF1 sobre el elemento ds si  es el ángulo entre B y ds en la Figura 2 entonces dF1 es

     dF1  I ( ds  B )  IBsends . 

Donde ds es la longitud del pequeño elemento medida a lo largo del arco circular. Con el fin de integrar



esta expresión, debemos expresar ds en términos de  puesto que ds  Rd , y la expresión puede escribirse

  dF1  IBRsen d 66

.

 dF1 ,

 F1 sobre la porción curva podemos integrar esta expresión para tomar en cuenta las contribuciones de todos los elementos. La integración sobre los límites   0 y    (esto es Para obtener la fuerza total

el semicírculo completo) produce

  c  dF1  IBR  send  IRB( cos ]ca ) a      IBR(cos   cos 0)   IBR(1  1)  2 IBR . Como la fuerza en el lado izquierdo es igual a la fuerza del lado derecho ver Figura 3.

Figura 3.

   F1  F2  2 IBR La dirección de F1 la fuerza en el lado izquierdo del lazo, apunta hacia afuera del papel y la de la F2 la fuerza sobre el lado derecho del lazo, está dirigido hacia el papel. Si hubiéramos observado la espira desde la parte inferior y mirando hacia arriba, veríamos la vista que se presenta en la Figura 3 y las fuerzas serian como las mostradas ahí. Si suponemos que la espira tiene un pivote que le permite girar en torno de un punto 0, vemos que estas dos fuerzas producen un movimiento de torsión respecto de 0 que hace girar la espira en el sentido de las manecillas de reloj, Si se invierte la corriente, las fuerzas se invertirían y la tendencia rotacional seria en el sentido contrario al de las manecillas, la magnitud de este momento de torsión,  debido a la rotación

  Fd

Donde d es el brazo de momento de la fuerza, el cual es la distancia perpendicular desde algún origen hasta la línea de acción de la fuerza. El momento de torsión es una medida de la tendencia de la fuerza a cambiar la rotación del objeto alrededor de un de algún eje. Preguntas En cada una de las siguientes preguntas justifique su respuesta. 1. ¿Al moverse la espira dentro del campo magnético del imán se genera corriente? 2. ¿Qué pasaría si la espira no tuviera corriente, el imán podrá mover la espira? 3. ¿Si aumento la corriente que sucederá con el campo magnético?

67

4. ¿Al aumentar el voltaje que ocurrirá con el campo magnético? 5. Dibuje las fuerzas presentes de las expira mientras gira en cada una de las posiciones y explique ver Figura 4. 6. ¿Al aumentar el número de espiras que sucede con la corriente.? 7. Calcule la fuerza magnética con una corriente de 0.10 A en un campo magnético de

0.5  10 6 T en espira de radio 1.5 cm. 8. Si la corriente en una espira genera un campo magnético en qué dirección irían y la corriente ilustre.

Figura 4 Tercera etapa: Se desarrollo un taller de laboratorio con el montaje (motor) que ellos mismos construyeron. Con el fin conceptualizar temas de electricidad, magnetismo y mecánica. 10.3 Laboratorio propuesto (tercera etapa) En las siguientes preguntas justifique su respuesta y muestre procedimientos. 1. Encuentre las ecuaciones de movimiento (posición, velocidad y aceleración) del sistema mecánico. 2. Grafique posición velocidad y aceleración para valores máximos y mínimos en el tiempo, recuerde que

w  2f ,

f 

n y que en t  0 y X  A . t

3. Halle el valor de la resistencia del alambre de cobre utilizado en el montaje experimental.

R

L  A . Si es el símbolo de la resistividad.

4. Si tiene el valor del voltaje suministrado por la fuente y la resistencia calcule I . 5. Con el valor de área A y corriente I determine la velocidad de arrastre de los electrones en el alambre. (Ver ejemplo 27.1, página 775, Serway cuarta edición). 6. Muestre la relación que existe entre el campo magnético permanente producido por el imán fijo y la distancia a la que se mide, utilizando una descripción grafica y matemática. 7. Diga cómo se relaciona los campos magnéticos producidos por el imán y la bobina calculados en el numeral 3 y 8. 8. Indique donde la fuerza máxima produce torque. 9. Que podemos decir del campo del imán con respecto a la espira. 10. En cuales puntos la fuerza es máxima y mínima en el embolo.

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11. indique la dirección de la fuerza magnética en cada una de las siguientes imágenes, donde I es la corriente que entra y sale

y

.

En este laboratorio incluya comentarios, sugerencias o dudas. TIEMPOS ESTIMADOS Primera etapa: veinte días Segunda etapa: Dos horas -Momento 1: Sesenta minutos -Momento 2: Sesenta minutos Tercera etapa: Dos horas 10.7. Resultados obtenidos. La población estudiantil estimada es de 26 estudiantes correspondientes a la carrera de Tecnología en sistematización de datos en la asignatura de Electromagnetismo, en su mayoría ya han cursado las asignatura de cálculo diferencial e integral y física mecánica. Primera etapa

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En la mayoría de estudiante pudieron realizar el montaje experimental se obtuvieron mejoras y aprovechamiento, en los que se dificulto se asesoraron y se pudo desarrollar el motor con éxito. Cuando se presento el proyecto no se vio mucho el interés pero cuando ellos se dedicaron a realizarlo tomaron mayor interés y es visto a la hora de observar la memoria consignada en los videos que presentaron ya que fueron muy creativos. Segunda etapa Los estudiantes que asistieron fueron 18 en el horario de 8 am a 10 am. Momento 1 Los estudiante reconocen en el practicante como un docente apoyo en clase a si que cuando se hace responsable de la clase el estudiante lo asume como docente encargado, esto es posible gracias a la docente titular ya que desde que se asume la practica hace notar la responsabilidad y autoridad que se tiene frente los estudiante, así que la participación en esta etapa no tubo ningún problema en comportamiento ni autoridad frente a la clase, los temas que se preparan con anticipación se explicaron en detalle desde la perspectiva del libro de Física Serway y Conceptos básicos de electricidad y magnetismo. La participación de los estudiantes se noto al realizar preguntas con respecto al no entender algunos algoritmos matemáticos como producto cruz, evaluar los limites de integración al que llevaba el tema , no preguntaron conceptos Físico involucrados.

Momento 2 Se les entrega la lectura para el desarrollo de la etapa dos, se orienta como se debe trabajarla, ellos les pareció más importante desarrollar las preguntas del taller sin leer previamente así que el practicante mostraba y motivaba la importancia de este para solucionar el taller ya que de este modo quedaría suficientemente claro los temas alrededor del montaje experimental y se asumiría por parte del practicante que no se realizaran preguntas en torno al tema. Existió un problema por parte del practicante y es mostrar la lectura con el taller al tiempo se perdió parte del objetivo en la etapas 1 y 2 que era dejar claro y justificado la importancia de la descripción física, matemática del sistema electromecánico y que ellos mismo reforzaran los temas en base de la lectura . El estudiante al ver la cantidad de preguntas y al sentir que no alcanzaría el tiempo decidieron solucionar las preguntas primero, los educandos en su afán de terminar el taller y con el interés de que sus respuestas quedara bien realizaban preguntas al practicante de modo que solucionaran las preguntas en torno del taller ellos asumieron que era evaluativo aunque no se había mencionado nada. En vista de esta situación se confrontaba al estudiante con otras preguntas con el fin de orientar al estudiante y de este modo no ser evidente en sus respuestas, es visto que en torno de sus preguntas quedaron algunas inquietudes y confusiones alrededor del tema a pesar de que ellos tenían confianza hacia el practicante, para este momento las preguntas no eran netamente matemáticas si no físicas, lo cual no daba lugar ya que se esperaba que el estudiante no tuviera dudas. 10.7.1 Resultado del taller Se perdió el interés por la lectura propuesta y se preocuparon por solucionar las preguntas.

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Los estudiantes en su mayoría se les dificultan la compresión de lectura, confundían y formulaban respuestas ociosas que no daban lugar a las preguntas. Las preguntas en su mayoría eran explicativas y argumentativas pero ellos buscan una ecuación que les permita dar cuenta. En la mayoría de respuestas rescriben explicaciones que el practicante argumento cuando ellos preguntaban en algunos ni se tomaron la molestia de rescribirlos, así estuviera mal ellos no analizaban la postura del docente a cargo. En la mayoría se sentían motivados cuando estos se enfrentan al montaje experimental al asociar las dificultades que tuvieron con la fabricación del montaje como fue el embobinado del motor y al poder explicar el movimiento del motor. Tercera etapa Los estudiantes que asistieron al laboratorio fueron 22 en el horario de 8 am a 10 am. En el momento de desarrollar el taller de laboratorio se realizaron muchas preguntas pero a pesar de esto ellos seguían concentrados en ver funcionando el motor, en vista de esto la profesora y el practicante se dedicaron a ir grupo a grupo para resolver dudas y de esta forma llevar al estudiante para que realizara el laboratorio aunque para esta etapa asumía que ellos tenían muy claro los contenidos de esta guía ya que ellos se apropiaron desde el inicio con la realización del motor a demás se habían desarrollado dos clases pero encontré muchas preguntas asociadas a los temas como “qué es torque, cual es dirección de la fuerza magnética ” y también correspondiente a la clase de movimiento armónico simple a pesar que esta clase se realizo el día lunes 11 de mayo muy cercana a la de laboratorio y se elaboro ejercicios muy similares al preguntado en el laboratorio como lo era las ecuaciones de movimiento de la polea. Uno de los estudiante quería asociar un circuito que realizado en otra materia el cual le permitiría contar el número de vueltas para encontrar el periodo, aunque fracaso en su intento por la inestabilidad del motor, es importante notar que existe la posibilidad de que ellos relacionen contenidos en otra materias y ver que el conocimiento no solo le concierne a una clase y a una asignatura. Resulta importante mencionar que este sistema experimental posibilita la realización de dos o más laboratorios de esta forma poder abordar las temáticas correspondientes a mecánica y electromagnetismo aprovechando al máximo esta propuesta. 10.7.2 Resultado del taller de laboratorio Es importante mencionar que algunos estudiantes encuentran importante realizar estas prácticas al permitirles confrontar los fenómenos visibles en el montaje experimental con la teoría expuestas. Es visible la dificultad de asociar la dirección de la fuerza magnética con la corriente, encuentran difícil contar el numero de vueltas en un tiempo dado puede ser importante realizar la toma de dados a partir de la captura de video y estudio de estos con el software (VideoPoint v 2.5.0) como un mecanismo que facilite la toma de estos datos. La dudas y comentarios se enfatizo mas en el montaje experimental realizan sugerencia que mejorarían la puesta en marcha del motor como la realización de las escobillas que brindarían mayor estabilidad y velocidad más no con respectos a los fenómenos que realizan el funcionamiento inmersos en la práctica.

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Las graficas del movimiento de posición, velocidad y aceleración de la parte mecánica, en su mayoría los estudiantes las realizaron bien, este lo indicaba el valor de la amplitud aproximado de 0,02 m que corresponde al radio de la tapa de vinilo (este detalle no fue notado por los estudiantes) y la frecuencia angular cuyo valor oscilaba entre 14 y 16 rad/s. Los estudiantes determinaron que el campo magnético de la bobina y del imán fijo es inversamente proporcional a la distancia esto lo concluyeron de la experiencia, ya que entre mas cerca estaba la bobina del imán fijo esta bobina giraba mas rápido. Dedujeron de la experiencia que si no existiera la interacción entre los campo magnéticos de los dos imanes no giraba la bobina y que el campo creado por la bobina era creado por el paso de la corriente a través del alambre de cobre. No se mencionó que al moverse el motor por efectos electromagnéticos este hacia mover mecanismos mecánicos y lo ideal era que hubieran dado ejemplos para hacer la similitud, pero parece estar acostumbrados a contestar solo lo que se les diga. 10.8. Conclusiones El montaje de un sistema electromecánico es un experimento que genera estabilidad en su funcionamiento posibilita una cantidad de recursos al docente en la toma y confrontación de datos llevando al estudiante a apropiarse de recursos motivadores en la aprensión de nuevos conocimientos. Es importante motivar al estudiante con la realización de montajes experimentales y guiar estos en torno de sus carreras ya que los motiva en prepararlos mejor, posibilita una estrategia en que el estudiante asocie los contenidos vistos físicamente y matemáticamente que en algunos casos pueden ser muy rígidos para los estudiantes y los montajes experimentales pueden guiar al docente a materializar más fácilmente los contenidos, las dificultades darían cuenta en el tiempo de fabricación de estos materiales apoyo y como se entiende se deben abarcar los temas concernientes a la asignatura. El recurso humano presentes en todos los estudiantes en este grupo adaptan un buen entorno de trabajo tanto en su dedicación y esfuerzo por cumplir las metas propuestas por la docente. Encuentro importante que en la realización de esta práctica los estudiantes se preocupan más por la nota y no por desarrollar un sentido lógico, el educando se adapta a la manera como el profesor lleva su clase con el fin de pasar la asignatura, no es muy notoria la participación del estudiante como una persona con hambre de conocimiento no se cuestiona ¡el profesor tiene la razón y no se equivoca! Se presentan dificultades con los estudiantes en cuanto la compresión de textos ya que se les dificulta analizar e interpretar preguntas. Algunos problemas se hacen evidentes en cuanto temas que involucran otras asignaturas ya vistas a pesar de que ellos hayan cursado como el cálculo diferencial e integral presentan deficiencias y les cuesta identificar los procesos que se realizan, cuando se realiza la clase se asume que el estudiante tiene claro los conceptos básicos matemático y al no preguntar se da con la continuidad de los temas en consecuencia tendrá aun mas dificultades. 10.9. Propuesta: Para esta práctica se propone hacer un motor pero ahora que la bobina no sea la que gire, sino el que gire sea el imán permanente y desarrolle la siguiente práctica de laboratorio. Taller de laboratorio que se propone como proyecto de clase para que otro practicante la desarrolle.

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Figura 1. Montaje experimental 1. Introducción. La Figura 1, muestra el montaje del motor eléctrico que se desea desarrollar. Este motor consiste en una bobina que no gira, permanece fija como estator; y un el imán permanente. Explicaremos cada parte del montaje, describiremos la física que se puede estudiar a partir del funcionamiento de cada instrumento utilizado. Como marco teórico se sugiere al estudiante incluir en su informe la Ley de Inducción de Faraday. 2. Materiales. Diez metros de alambre de cobre del número 22 Una tabla de 10 cm * 10 cm Dos tablas pequeñas que sirvan de soporte para el electroimán Tres imanes. Estos se obtienen en los empaques utilizados en las puertas llamados topeburros. Gancho de ropa

Cinta adhesiva transparente Conectores caimán -caimán Una pila de 9 voltios Puntilla de 3 pulgadas

3. Procedimiento. Tomamos una puntilla de 3 pulgadas, la envolvemos en cinta adhesiva transparente. Empezamos a envolver el cable en la puntilla dejando un trozo de alambre libre al principio, contamos el número de vueltas que se hace hasta llegar casi al final de la puntilla (no es bueno envolver toda la puntilla, hay que dejar un espacio para poder pegar la puntilla a un soporte). Pasamos una capa de cinta sobre el alambre enrollado, nos devolvemos envolviendo otra capa teniendo en cuenta la uniformidad de las espiras que se forman, es decir que no halla espacios entre ellas; y que el número de vueltas debe ser el mismo al de la primera capa. Repetimos este proceso hasta enrollar todo el alambre. Hay que tener cuidado para evitar que el alambre se nos enrede o rompa. Si al terminar la última capa, no se completa el número de vueltas de las otras capas; se deja de envolver y se corta el alambre dejando un poco de libre. Finalmente se cubre con cinta esta última capa (Figura 1). . Se desdobla el gancho de ropa de tal forma que quede bien recto, se toman las placas metálicas del “tope burro” y se pega el gancho a ellas con silicona. Se quiebran por la mitad los imanes de los

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“topeburros”. Con estos imanes se forma un sándwich con las placas de acero del “tope burro”, y el gancho estirado. Deben quedar tres imanes por lado y lado. Por último se envuelve esto con cinta adhesiva, de esta forma se construye el rotor del motor. Disponemos una base para poder colocar el rotor (Figura 1), es bueno envolver con papel aluminio este soporte. Las escobillas deben ir a un lado del rotor, la forma en que se conecta el circuito es en serie Al moverse el imán, se creará un flujo del campo magnético induciendo una FEM en la bobina. Esta FEM será medida con la ayuda de un multímetro. 4. Preguntas.     

¿En qué casos, el flujo del campo magnético es cero? ¿Cómo está relacionada la intensidad del campo magnético con la corriente que circula por la espira? Haga una grafique el campo magnético en función de la corriente. ¿Qué sucede cuando aumento o disminuyo el número de espiras en la bobina? Obtenga los valores para el campo magnético, la frecuencia angular y velocidad angular al variar la corriente. Luego reúno los resultados en la siguiente tabla de datos:

Campo magnético (B)

  10.10

Corriente (I)

Velocidad angular (v)

Frecuencia angular (w)

Realizo el mismo procedimiento en el punto anterior; pero ahora aumentando el número de espiras. ¿Qué podemos concluir de la práctica? Bibliografía.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/variable/variable.htm#La%20inducción%20electr omagnética. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/fem/fem.htm

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Anexo 1 CONSTRUCCION DEL MOTOR ELECTRICO

Figura 1. Montaje experimental 1. Objetivos General Construir un motor eléctrico que permita aprovechar su funcionamiento al implementar un mecanismo en donde se muestre el movimiento armónico simple. 2. Objetivos específicos Desarrollar y comprobar los conceptos campo magnético en imanes y bobinas, conducción en materiales, corriente eléctrica y movimiento armónico a través del montaje. Promover el aprendizaje mediante la elaboración de hipótesis que sean susceptibles de ser verificadas, producto de la manipulación de los elementos que constituye el montaje experimental mediante la analogía con situaciones cotidianas para el estudiante. Generar sobre los estudiantes la importancia de materialización de los conceptos de electromagnetismo en el desarrollo de su conocimiento. 3. Marco Teórico: Consultar sobre materiales conductores, semiconductores, aislantes Movimiento armónico simple, Imanes, corriente directa, alterna, campo magnético, clasificación de motores en especial caseros. 4. Materiales 1. Un Imán de ferrita de parlante de radio 3 cm

12. Cuatro pitillos de Jugo

2. Dos Imanes de Neodimio de disco de radio 1.3 13. Desgajador de Papel cm y grosor de 4mm

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3. Tapa de plástico “soporte imanes”

14. Un embolo de jeringa de 5 cm

4. Alambre de cobre Calibre 6.10 m

15. Un tubo de ensayo de diámetro 1.5

5. Una polea de plástico de radio 2 cm

16. Dos palos de pincho

6. Conectores banana-banana

17. Un palo de balso Nº20

7. Segueta

18. Cinta

8. Un bisturí

19. Pistola de silicona

9. Adaptador de 12-16 V

20. Un multímetro

10. Una tapa de vinillo de radio 2 cm

21. Tabla de 14x19 cm y otra de 30x30 cm

11. Una escuadra

22. Martillo

23. Puntilla Grande, Tornillo Tabla 1. 5. Lugares recomendados para adquirir los materiales Imán de ferrita, polea: Reparación de equipos de sonido- televisores. Imán de Neodimio: En ferroimanes ubicado en la calle 13 Nº 21-96 local 8 teléfono 2776046. Alambre de cobre, Kit de silicona: Disponible en ferreterías. Conectores banana-banana, multímetro “opcional su compra”, adaptador: Venta de instrumento electrónicos en el sector comprendido desde la calle 19 hasta la 24 con carrera 9. Los demás materiales se pueden adquirir en una papelería, miscelánea o quizás los tenga en su casa.

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Figura 2. Materiales 6. Construcción La construcción tendrá dos etapas una en la que elabore el motor y otra en la que desarrolle el sistema mecánico. 6.1. Etapa 1: Construcción del motor • Medir 22 cm sobre el palillo de pincho y córtelo. • Tomar la tapa de vinilo y sobre los bordes trazar la mitad del perímetro. • Calentar la puntilla y sobre los dos puntos trazados en los bordes de la tapa hacer los orificios. • Atravesar el palo de pincho sobre los dos orificios de la tapa verificar que estos rotan como uno solo (Figura 3).

Figura 3 • Tome 6.10 m de alambre de cobre enróllelo en la tapa de vinilo y deje 4 cm al inicio y final como se muestra en la figura ver Figura 4 sujete este con cinta.

Figura 4 • Compruebe que los dos alambres de 4 cm no están haciendo contacto. • Con el bisturí raspe muy bien los dos extremos del alambre. • Sujete los dos alambres de cobre y péguelo al palo de pincho sin que ellos se tocan. • Coloque cinta en las zonas 1 y 2 deje un espacio entre ellas ver Figura 5 • Cortar dos pedazos de pitillo en la misma proporción en los que usted coloco cinta y sobre estos coloque los pitillos ver Figura 10.

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Figura 5 Soporte 1 • Corte dos palos de balso de 8.5 cm de largo. • Mida 3 cm sobre alguno de los extremos del palo y pinte un punto central centre este punto repita este procedimiento con el otro palo Figura 6. • Clave la puntilla sobre la medida antes mencionada en cado uno de los palos de balso. • Sobre la tabla de 14 cm x 19 cm pegue los palos cortados horizontalmente recuerde que estos deben estar paralelos a una distancia de separación de 12.5 cm, en la tabla se localizan a 10 cm de largo ver Figura 6 y 7.

Figura 6

Figura 7

• Compruebe que al introducir el palo de pincho y la tapa de de vinilo giran libremente sin rozamiento de no ser así amplié los orificios con la puntilla. Soporte 2 • Corte un trozo el palo de balso en forma de triangulo de base 3 cm y cateto de 1 cm. • Corte el desgajador en la mitad como se ve en la Figura 8.

Figura 8

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• Sobre la base del triangulo pegue con silicona uno de los pedazos del desgajador y sobre la hipotenusa la otra parte. • Mida 7.5 cm de largo del palo de balso y córtelo; pegue el triangulo en la parte superior del palo de balso guíese de la Figura 9.

Figura 9 • Ubique el montaje del palo de balso y la tapa en los orificios del soporte uno, coloque el segundo soporte detrás del primero de modo que la pinza realizada por los ganchos desgajadores esta en contacto directo con el alambre de cobre y no con la cinta Figura 10.

Figura 10 • Colocar los imanes de parlante y de neodimio uno sobre el otro y estos pegarlos en una base circular de tal forma que al ubicarse debajo de la tapa de vinilo este cerca ,las especificaciones en altura no se mencionan ya que varia del acuerdo del ancho de los imanes que se consigan ver Figura 11.

Figura 11 Verificar el funcionamiento del motor Colocar el adaptador con los conectores estos son colocados sobre los extremos sobresalientes del desgajador “uno para cado uno” Figura 12.

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Comprobar con el multimetro el voltaje del adaptador y este se encuentre en un rango de 12 a 15 V ver Figura 13 impulse la tapa de vinilo y compruebe que este da vueltas por si solo.

Figura 12

Figura 13

6.2 Etapa 2 Construccion de sistema mecanico • cortar de los pitillos una longitud de 5 cm y otro de 10 cm • Sobre el pitillo de 5 cm haga un orificio en la parte superior a un centímetro, con la puntilla caliente. • Pegue el otro pitillo con silicona al extremo contrario donde realizo el orificio. • Corte el embolo que se encuentra en la jeringa a 1.5 cm y péguelo al extremo de los pitillos ver Figura 14 y 15.

80

Figura 14

Figura 15

• Con la polea realice un orificio con la puntilla en la inferior de esta • Sujete con el tornillo el pitillo y a la polea ver Figura 16.

Figura 16 • Pegue con silicona la polea a uno de los costados del palo de pincho de tal forma que el motor y la polea giren como uno solo ver Figura 17.

Figura 17

81

Soporte 3 • Corte un trozo de 5 cm de longitud del palo de balso y sobre este pegue con silicona el tubo de ensayo pequeño ver Figura 18.

Figura 18 • Pegue la tabla pequeña sobre la más grande. • Coloque el soporte tres en correspondencia al eje de simetría de la polea “al frente de la polea” ver Figura 19. • Introduzca el embolo en el tubo de ensayo. • Conecte de nuevo el adaptador y genere un pequeño impulso sobre la tapa de vinilo.

Figura 19

82

Figura 20.Vistas laterales, superior y trasera motor. 11. CARRO IMPULSADO POR LEVITACION MAGNETICA 11.1 Tema: Concepto de imán, polos magnéticos de un imán, campo magnético, líneas de campo magnético. Formas de magnetización, funcionamiento de una brújula, ángulos de declinación y de inclinación magnética 11.2. Realizado por el practicante: Wilmar Francisco Ramos estudiante de licenciatura en Física de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Su práctica la desarrollo los días lunes, miércoles y viernes de 8 a 10 am a veinte seis estudiantes de la carrera de Tecnología en sistematización de dato en la asignatura de Electromagnetismo. 11.3. Objetivo Observar ciertos fenómenos del magnetismo con el proyecto titulado CARRO IMPULSADO POR LEVITACION MAGNETICA, 11.4 Metodología

83

5

En base a la teoría pedagógica del Aprendizaje Significativo , se realizó lo siguiente: Se realizó la guía de la construcción del montaje, con el fin de que los estudiantes lo desarrollaran para una posterior práctica de laboratorio. (Anexo 1) Intensidad: 2 Semanas. Debido a que algunos estudiantes no les funcionó el montaje, la práctica de laboratorio se replanteó solucionando la situación, cuyo objetivo se cambió a evidenciar los fenómenos involucrados como son: intensidad de campo magnético por imanes permanentes, campo magnético producido por un solenoide (Bobina) y líneas de campo magnético. (Anexo 2) Intensidad: 1 Semana. Como parte fundamental para cumplir el objetivo del proyecto semestral, es la aplicación del proyecto antes mencionado y la teoría implícita en el mismo a la temática de programación en Sistematización de Datos. Acorde a lo anterior, se presentó al grupo como Laboratorio Virtual, una aplicación en lenguaje de programación Visual Basic relacionado al proyecto. (Anexo 3) Intensidad: 1 Semana. Una vez realizada la práctica de laboratorio (habiendo indagado en las respuestas a dicha práctica) y el Laboratorio Virtual, se presenta la teoría al grupo, del tal manera, que el estudiante asocie lo visto en la práctica a lo expuesto en clase, siendo para él mucho más clara la teoría, habiendo visto previamente el fenómeno físico y manipulado las variables del mismo. Texto guía Serway Intensidad: 1 Semana.

11.5 Conclusiones. La práctica de laboratorio arrojó resultados iníciales que se pueden definir de la siguiente manera: En la parte I de la práctica (Líneas de campo magnético), el 20% de los estudiantes manifestaron que las líneas de campo magnético no son cerradas, sino que por el contrario, salen de la superficie perpendicular a la misma. De aquí nace la necesidad de indagar un poco más en cuanto a los fenómenos de monopolos eléctricos y dipolos magnéticos. Resultados PARTE I Líneas de Campo

20% 80%

5

También conocido como verdadero aprendizaje, el cual consiste en contribuir al desarrollo de la persona,

entendiéndose por desarrollo un proceso esencial y global en función del cual se puede explicar y valorar cada aprendizaje particular y no como una acumulación de conocimientos y datos, no confundiendo los conceptos información y conocimiento. SEGURA, Dino.

84

En la parte II de la práctica (Intensidad de Campo Magnético), el 60% de los estudiantes manifestaron que la intensidad del campo magnético es proporcional a la distancia, es decir, a mayor distancia de separación a la fuente, mayor será la intensidad del campo. En algunos casos, los estudiantes tomaron datos acertados pero erraron en la representación gráfica de los mismos, lo cual hizo evidente que el análisis de la gráfica no podría ser el correcto. Este alto porcentaje, permite hacer énfasis en los fenómenos físicos involucrados con el campo magnético. Resultados Parte II

40% 60%

En la parte III de la práctica (Aplicación al montaje del “Carro impulsado por levitación magnética”), fue clara la razón por la cual en el carril central del montaje, la intensidad total del campo magnético es cero, el hecho de tener campos magnéticos iguales y opuestos fue determinante en esta apreciación. Resultados Parte III 20%

80%

Sin embargo, el 80% de los estudiantes no definió claramente el punto o eje bajo el cual se presenta este fenómeno, es decir, existe una dificultad en asociar un eje coordenado a un plano en el espacio físico, lo cual es fundamental si queremos hacer mediciones cuantitativas del fenómeno. Posterior a la práctica de laboratorio, se desarrolló el Laboratorio Virtual. Una vez explicado el funcionamiento y el sustento físico del mismo, se efectuó un ejercicio de manipulación y análisis en los resultados arrojados por el programa. El ejercicio consistió en definir la Amplitud, frecuencia y desplazamiento del punto de equilibrio del carro levitando sobre los rieles, cuando se le aplica cierto voltaje a los electroimanes. Ya que el programa realiza una gráfica de posición vs. Tiempo sobre un eje coordenado, definir estos tres parámetros es relativamente sencillo, el punto clave es dar explicación bajo un sustento lógico al comportamiento del carro. 10.6 Bibliografía 1. RAMOS W.F., Practica Integral 2009-1., http://www.physicoizz.es.vg 2. SERWAY, Raymond A., Física, McGraw Hill., Cuarta Edición., Tomo I y II., 1998. 3. HALLYDAY-RESNIK., Física. Parte II., CECSA. 4. HEWITT, P., Física Conceptual., McGraw Hill., 1995. 5. PURCELL. M. Edward., Electricidad y Magnetismo., Vol.2, Berkeley Physics Course., Editorial Revertee., 1980.

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ANEXOS Anexo 1 Guía de construcción y montaje de un carro cuyo movimiento se debe a la fuerza de repulsión magnética (Levitación Magnética), no se expondría la explicación del fenómeno ni el funcionamiento del vehículo, nos limitaremos a la construcción, la cual ya se ha realizado con anterioridad por parte de Wilmar Francisco Ramos con la intención de evidenciar el fenómeno y el funcionamiento a escala reducida.

Imagen 1 Materiales: 1. 62 Imanes de dimensiones 14mm*24mm*4mm 3. Bisturí 5 Regla, escuadra o cinta métrica. Papel Contact. Cantidad aprox.:50cm*50cm Cartón Paja. Cantidad aprox.:50cm*25cm. Alambre de Cobre. Cantidad aprox.:4m. Tornillo metálico. Cantidad: 2. Dimensiones aprox.:1/2 pulgada. Longitud aprox.:10cm. Conectores del Regulador de voltaje. Cantidad: 4. Tipo: Banana - Caimán

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2. Pegante Industrial: “SinteSolda". Contenido: 14g. 4. Cartón prensado. Grosor: 2.5mm. cantidad aprox.: 50cm * 50cm. Pegante Escolar Cinta de Enmascarar. Cinta Transparente. Tempera. Color: Deseado. Cinta Aislante: Color Negro y Rojo. Regulador de voltaje variable. Cantidad:2. Rango aprox.:0V-10V. Corriente: DC.

Imagen 2 Los imanes se pueden comprar en:"FERROIMANES", Cll 13 No. 21- 96 local 8, Tel: 2776046. Comprar "SinteSolda" Adhesivo epóxico de dos componentes: Resina y Endurecedor. Construcción Esqueleto del carro.

Figura 1 Corte el cartón paja teniendo en cuenta las dimensiones del carro de la figura 1. Una los pliegues con el pegante escolar y después de seco aplique la capa de pintura con el vinilo. Aplique vinilo solamente a las superficies de los imanes con IGUAL polaridad (Es decir, todos los 62 imanes se repelen en las caras que estén pintadas)

Imagen 3 Use el pegante industrial para pegar los 8 imanes a las caras del carro (2 imanes en las caras laterales: derecha, izquierda e inferior; 1 imán en la cara frontal y posterior.

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Aplique el pegante únicamente en las caras de los imanes que NO están pintadas (Imagen 3). Rieles

Imagen 4 (1) Cartón prensado. (2) Papel Contact. Corte el cartón prensado para tres rieles. El Central de dimensiones: 20 cm * 50 cm. Los dos laterales de dimensiones: 3 cm * 50 cm.

Imagen 5 Aplique el papel Contact a cada uno de los rieles (Imagen 5).

Imagen 6. Carro y rieles. (1) Cavidad interna del carro para ajustar el peso del mismo. (2) Riel central. (3) Riel lateral izq. (4) Riel lateral derecha.

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Use el pegante industrial para pegar 17 imanes siguiendo una línea recta en la mitad del riel central y 17 imanes en cada uno de los dos rieles laterales, alineados hacia la parte superior de cada riel (Aplique l pegante únicamente en las caras de los imanes que NO están pintadas) (Imagen 7).

Imagen 7. Rieles Central y Lateral. (1) Riel central. (2) Imanes. (3) Riel lateral. (4) Pegante Industrial. Realice demarcaciones en cada riel convenientes para usted, con la cinta de enmascarar. Corte seis hileras de cartón prensado de dimensiones: 0.5 cm * 50 cm, las cuales actuarían como aislantes magnéticos para cada riel. Use el pegante industrial para fijar los aislantes magnéticos en los costados de cada guía de imanes en los tres rieles, de tal forma, que las caras laterales de los imanes no presenten atracción ni repulsión magnética con ningún otro imán (Imagen 8).

Imagen 8. Rieles terminados. (1) Riel lateral izq. (2) Riel central. (3) Riel lateral derecho. (4) Soportes de los rieles laterales. (5) Aislantes magnéticos. Construya los soportes de los rieles laterales, de tal forma que, cada riel se mantenga vertical.

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Imagen 9. Carro y Rieles. (1) Riel lateral izquierdo. (2) Riel central. (3) Riel lateral derecho. (4) Guias de imanes. (5) Carro terminado. Electroimanes El núcleo metálico del electroimán seria el tornillo grueso, sobre el cual se realizara un doble embobinado con el alambre de cobre, que garantice una mayor potencia del electroimán.

Imagen 10. Embobinado. (1) Alambre de cobre. (2) Núcleo del electroimán. (3) Polo positivo. (4) Polo negativo. Enrrolle el alambre de cobre a lo largo del tornillo, de tal forma que no exista separación entre espira y espira (Imagen 10), y ajuste las espiras al tornillo con la cinta transparente. No olvide contar el número de espiras para asignar datos a la Tabla 1.

Tabla 1. Número de espiras por electroimán Realice el paso anterior sin el uso de la cinta transparente, ahora sobre el embobinado del mismo tornillo, teniendo en cuenta dejar en los extremos del embobinado, cables sueltos para realizar las conexiones posteriores. Demarque cada cable suelto del embobinado, uno con la cinta aislante roja y el otro con la cinta aislante negra. Realice los pasos anteriores para el otro tornillo, dando como resultado dos bobinas (Imagen 11).

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Imagen 11. Electroimanes. (1) Embobinado. (2) Núcleo electroimán. (3) Polo negativo. (4) Polo positivo. Montaje Ya hemos construido las partes de la maqueta, como lo son el carro y rieles, por donde transitaría ell carro y los electroimanes como impulsores magnéticos (Imagen 10).

Imagen 12. Partes terminadas de la maqueta. (1) Riel lateral izq. (2) Riel central. (3)Riel lateral der. (4) Electroimanes. (5) Carro. (6) Soportes de los rieles.

Imagen 13. Partes de la maqueta. (1) (2) (3) Rieles. (4) Electroimanes. (5) Carro. (6) Soportes de los rieles. (7) Aislantes magnéticos. Ahora ajustaremos las partes como lo muestran las Imágenes de la 12 a la 15.

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Imagen 14. Montaje del proyecto. (1) Riel. (2) Carro. (3) Electroimanes. (4) Regulador de voltaje. (5) Conectores: Regulador-Electroimanes. (6) Conector: Regulador-Fuente eléctrica. (7) Fuente eléctrica. (8) Base de la maqueta. (9) Decoración de la maqueta.

Imagen 15. Vista Lateral. (1) Lugar entre los rieles donde se moviliza el carro. (2) Electroimán. (3) Conectores. (4) Regulador de voltaje. (5) Soporte de la maqueta. (6) Decoración de la maqueta.

Anexo 2 GUIA DE LABORATORIO: Líneas de Campo Magnético. 1. Sobre una hoja a escala milimétrica (hoja milimetrada) rocíe cierta cantidad de limadura de hierro. Posteriormente ubique las configuraciones de imanes mostradas en la figura 1. bajo la hoja milimetrada.

(a)

(b)

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(c) Figura 1. Para (b) y (c) varíe las distancias entre los imanes. Demarque sobre la hoja las líneas formadas por la limadura de hierro.  Haciendo una aproximación a líneas rectas, determine las pendientes para las configuraciones (b) y (c) variando la distancia entre los imanes.  Grafique la distancia entre los imanes vs. la pendiente de las líneas.  Defina una relación entre las distancias de los imanes, las pendientes y la intensidad de campo magnético, apoyándose en la grafica del punto anterior. II PARTE: Intensidad de Campo Magnético. 2. Ubique una brújula a una distancia d de un imán (Figura 2.). Grafique la distancia d vs.  , siendo  el ángulo de inclinación de la aguja de la brújula.

Figura 2. Principio del Teslámetro. 3. Ubique la brújula como lo muestra la figura 3. y determine la relación entre d1 y d 2 para que   0º . ¿Qué podemos decir del campo magnético cuando   0º ?.

Figura 3. 

Grafique d vs.  para la configuración de la figura 3.

III PARTE: Aplicación al montaje del “Carro impulsado por Levitación Magnética”. 93

4. Para el montaje del “Carro impulsado por Levitación Magnética”, ubique el punto (x,y) para el cual la brújula no se altera por la presencia de los imanes.

Figura 4. Práctica de laboratorio con el montaje del “Carro impulsado por levitación magnética”.  

¿De qué depende que la brújula no se altere por la presencia de los imanes? Pinte sobre una hoja en blanco, las líneas de campo magnético para las guías del montaje (Figura 4.), teniendo en cuenta la configuración de los n imanes y lo trabajado en la parte I de la presente guía de laboratorio.

NOTA: Los resultados de la presente práctica de laboratorio se deben presentar como informe de laboratorio escrito, el próximo viernes 8 de mayo, siendo parte fundamental de la evaluación del proyecto semestral.

Anexo 3 Se presentó a los estudiantes el siguiente programa en lenguaje de programación Visual Basic 6.0. Después de presentar el código del programa, funcionamiento y aclarar situaciones problema respecto al fenómeno en el montaje, se plantea un problema que será resuelto por los estudiantes y tendrá un criterio evaluativo.

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BIBLIOGRAFIA Feynman R.P..: The Feynman Lectures on Physics Vol. I, Addison - Wesley, Inc. 1974. Serway Raymond. Física. Volumen I y II. Editorial Mc. Graw Hill. Colombia, 1997. Manual de Baffles, Ruiz Francisco y Altavoces, Ed. CEAC 1978. Edward, M. Purcell. Electricidad y Magnetismo. Berkeley physics course-Vol2. Reverté, 1965. Angarita Serrano, Tulio. La Evaluación por logros. Santafé de Bogotá: Printer Colombiana, S.ASIMOV, Isaac. Introducción a la Ciencia. Barcelona: Biblioteca de Divulgación científica, 1973. Einstein, Albert. Notas Autobiográficas. Madrid: Alianza Editorial, PAREDES, Miguel (traductor), 1986. Galileo, Galilei. El Pensador. Madrid: Los grandes pensadores. Editorial Sarpe, 1984. Harre, Rom. Grandes Experimentos Científicos. Barcelona: Editorial, 1981. Mawchtle. Walter. La Física. Barcelona: Círculo de lectores, 1974. Toynbee, Arnold. Estudio de la Historia. Barcelona: Aries Editores, 1975. Gladys Patricia Abdel Rahim Garzón, Conceptos básicos de electricidad y magnetismo, 2007. Gladys Patricia Abdel Rahim Garzón, Conceptos básicos de física mecánica, 2007.

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