Máster de Educación. Enero 2011 Temas propuestos

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1 Máster de Educación. Enero 2011 Temas propuestos J Güémez Aula de la Ciencia Universidad de Cantabria Enero 18, Experimentos introductorios 1. Centro de masas de barras lastradas (Regla homogénea). 2. Peonza de agua (huevo crudo)(huevo cocido) 3. Balancín térmico (Máquina de Herón) 4. Molinete térmico (Posiciones de las aspas) 5. Bola flotante en pipa de madera (2 versiones) 6. Oscilación de tubo flotante (Péndulo) 7. Barra de cera atraída por ámbar frotado (Barras de metales) 8. Rifle de Gauss (Cuna de Newton) 9. Moneda flotante (Barra y rayo láser. Dos observadores) 10. Ruptura dieléctrica del aire (Bola de Plasma) 1

2 2 Introducción Se propone a los alumnos participantes en este máster elaborar un tema que pueda ser desarrollado en una exposición pública de 15 minutos, con 5 minutos adicionales de discusión con los oyentes. Los temas son puntuales, cada uno de una temática muy específica. La mayoría son temas relacionados con un experimento, algunos de ellos deben apoyarse en vídeos, pero también los hay más teóricos. Un profesor de física de enseñanza secundaria o bachillerato debería acostumbrarse a realizar pequeñas experiencias en el aula, utilizando tanto material de laboratorio que haya en el centro, como pequeños dispositivos que puedan adquirirse en tiendas de regalos o grandes almacenes. Sin miedo a que algunos experimentos no salgan tal y como se planearon, es necesario una enseñanza de la física más próxima a la experiencia cotidiana de los alumnos. Todos los pasos del método científico se pueden poner de manifiesto en la mayoría de los experimentos, por sencillos que éstos parezcan. Y nunca se debe olvidar que el paso de la observación de un fenómeno a su explicación teórica, y su validación mediante experimentos, es una de las tareas intelectuales más complejas que pueden abordarse. 2.1 Desarrollo de un tema El desarrollo de cada tema debe seguir, aproximadamente, el siguiente esquema: 1. Descripción inicial del fenómeno. 2. Desarrollo de conceptos teóricos necesarios para formalizarlo. 3. Diseño de uno, o más, experimentos. 4. Uso de aproximaciones 5. Desarrollo del experimento. 6. Resultados experimentales 7. Análisis y discusión de los resultados 8. Conclusiones. Refinamiento, en su caso, de la teoría y del experimento. 3 Desarrollos teóricos En estos temas se trata de desarrollar un tema de carácter teórico, como la modelización de los efectos de rozamiento o los movimientos alrededor de la Tierra, o un tema teórico que remite a un proceso experimental, como en el problema del cazador y el mono (desarrollado con ayuda de un vídeo) o el péndulo cónico (que se puede construir experimentalmente) 1. Fuerzas de rozamiento. Efectos térmicos 2. El cazador y el mono 2

3 3. Péndulo cónico 4. Oscilaciones alrededor de la Tierra 4 Experimentos de aula En estos temas se trata de desarrollar un experimento y utilizarlo como centro de interés para describir un fenómeno concreto. 1. Centro de gravedad de barras 2. Tiempo de caída de una cadena 3. Oscilaciones propias de un tentetieso águila 4. Principio de Arquímedes. Oscilaciones de un tubo lastrado 5. Teorema de Bernoulli. Bola en embudo 6. Magnetismo. Fusil de Gauss 7. Electromagnetismo. Experiencia de Oersted 8. Electromagnetismo. Experiencia de Faraday 9. Electromagnetismo. Ley de Lenz 10. Temperatura de un objeto brillante 11. Encendedor pneumático y nube en botella 12. Lámpara de plasma 13. Refracción. Moneda que flota 5 Comparación de varios aparatos En este tipo de temas se compara el comportamiento de diversos aparatos, muy diferentes entre ellos, para poner de manifiesto alguna ley de la física. DE esta forma se muestra la unidad de la física dentro de su diversidad. 1. Principio de Inercia: huevos crudos y cocidos. Peonzas correspondientes 2. Segunda Ley de Newton. Velocidad uniforme. Semilla, bola en glicerina, burbuja ascendente, imán en tubo de cobre. 3. Tercera Ley de Newton. Helicóptero, molinetes térmicos, coche con ventilador 4. Equilibrio estable y equilibrio inestable 3

4 6 Temas propuestos 6.1 Centro de gravedad de barras Explicar las diferencias entre el coeficiente de fricción estático µ E y el coeficiente de fricción dinámico µ, mostrando que µ E > µ. Varias barras huecas de aluminio, con perdigones colocados en su interior, de tal manera que el centro de gravedad del conjunto puede no estar situado en el centro geométrico de la barra. Dinamómetros.. Para encontrar el centro de gravedad del conjunto barraperdigones, con los brazos extendido hacia adelante y abiertos, se coloca la barra en horizontal sobre el dedo índice de cada mano, colocado en cada extremo de la barra. En esta posición inicial, se intenta mover un dedo hacia el otro. Cada uno de ellos se moverá con más facilidad en cada caso, haciendo que ambos dedos se junten justo debajo del centro de gravedad del conjunto.. Dos dinamómetros se utilizan para colgar la barra en horizontal. Si cada dinamómetro marca la misma fuerza, el centro de gravedad se encuentra en el punto medio entre ambos.. Coeficientes estático y dinámico de rozamiento. Ley de la palanca 6.2 Tiempo de caída de una cadena Analizar la caída de una cadena, de longitud L, desde una altura h, y medir su tiempo de caída Una cadena de cuentas de plástico, regla y cronómetro.. Una cadena de cuentas de plástico, de longitud L conocida, está enrollada en un cuenco situado a cierta altura h. Inicialmente se deja colgar una longitud h de la cadena. Se deja libre y se cronometra el tiempo que tarda en desenrollarse y caer al suelo.. La velocidad de la cadena es constante e igual a v(h) = (gh) 1/2. Una cadena de longitud L tarda en caer un tiempo t(h) = Lv 1 (h) = L g 1/2 h 1/2. El tiempo que emplea la cadena en desenrollarse es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la altura. 4

5 6.3 Oscilaciones propias de un tentetieso águila Un tentetieso águila, metro y cronómetro 6.4 Principio de Inercia: huevos crudos y cocidos Un huevo crudo, un huevo cocido, una peonza de líquido, una peonza tip-top una peonza normal. 6.5 Segunda Ley de Newton. Velocidad uniforme Semillas de diente de león, tubo de líquido con burbuja (probeta con glicerina y canicas de vidrio), tubo de cobre con imán esférico. 6.6 Tercera Ley de Newton Helicóptero de globo, helicóptero eléctrico, máquina de Herón, molinete(s) térmico(s). 5

6 6.7 Equilibrio estable y equilibrio inestable Tentetieso, molinete térmico, balancín térmico, pájaro bebedor, buzo de Descartes. 6.8 Resonancia Gallina de barro, flautas, barra cantante. 6.9 Principio de Arquímedes. Oscilaciones de un tubo lastrado Recipiente cilíndrico con agua, tubo de vidrio, perdigones, cronómetro, regla. 6

7 6.10 Teorema de Bernoulli. Bola en embudo 6.11 Magnetismo. Fusil de Gauss 6.12 Electromagnetismo. Experiencia de Oersted Fuente de alimentación CC, imán sobre aguja.. Ley de Biot-Savart Electromagnetismo. Experiencia de Faraday Fuente de alimentación CC, imán, bobinas de diferente número de espiras.. Principio de Inducción de Faraday. 7

8 6.14 Electromagnetismo. Ley de Lenz Tubo de cobre, con agujeros, tubo de plástico, imán de NeBFE.. Ley de Biot-Savart, Principio de Inducción de Faraday, Ley de Lenz Temperatura de un objeto caliente Estudiar algunos conceptos relativos a la radiación térmica: ley de Stefan-Boltzmann, Ley de Wien, etc. Bombilla, reostatos, velas, mechero de alcohol, mechero Bunsen.. Se utiliza el filamento de una bombilla como pirómetro. Por una resistencia eléctrica de wolframio por la que circula corriente eléctrica de intensidad I y diferencia de potencial V, su temperatura viene dada por la ecuación fenomenológica T = T 0 ( R R 0 ) 1 1,2, donde T K es la temperatura ambiente, R 0 es la resistencia en frío del filamento y R = V/I es la resistencia cuando por ella circula corriente. Si se coloca un objeto caliente detrás del filamento de la bombilla y se regula la corriente que circula por ésta hasta que el filamento brillante es indistinguible del color del fondo, ambos cuerpos tienen la misma temperatura.. Ley de Wien, relación empírica resistencia-temperatura W. T. G. Bullen, A laboratory exercise on determination of a power law by logarithmic plotting, Am. J. Phys (1954). (b) P. A. Constantinides, A simplified method for verifying the Stefan- Boltzmann law of radiation and determining the Stefan constant, Am. J. Phys. 9 (1941) 87. (c) I. R. Edmons, Stephan-Boltzmann law in the laboratory, Am. J. Phys. 36, 845 (1968). (d) D. H. Jaecks, Stefan-Boltzmann and radiation distribution laws in the laboratory, Am. J. Phys. 40, 1179(1972). 8

9 (e) E. Marín, J. G. Garayoa, La ley de Stefan-Boltzmann: una propuesta para su verificación experimental en el laboratorio docente de física, Rev. Mex. Phys. 45, 496 (1999). (f) B. S. N. Prasad, R. Mascarenhas, A laboratory experiment on the applications of Stefan s law to tungsten filament electric lamps, Am. J. Phys. 46(4), (1978) Encendedor pneumático y nube en botella Encendedor pneumático, botella vidrio blanco, sacacorchos de aguja (un láser) Lámpara de plasma Explicar la ruptura dieléctrica del aire y otros gases Refracción. Moneda que flota Explicar la ley de la refracción de Snell. 9

10 6.19 Fuerzas de rozamiento. Efectos térmicos Se deben formalizar, utilizando las leyes de la Termodinámica, los posibles efectos térmicos que tienen lugar en aquellos procesos que implican fuerzas de rozamiento disipativas El cazador y el mono Formalización matemática del problema de El cazador y el mono Péndulo cónico 6.22 Oscilaciones alrededor de la Tierra Demostrar que el tiempo empleado por un proyectil que se mueva justo sobre la superficie de la Tierra y la rodee, el de un objeto que se mueva en un tunel y otro en un plano tangente al polo, tardan lo mismo. 10

11 11

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