Guía para el docente Fluidos Hidroestática I. Guía para el docente

Transcripción

1 Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 3º medio - Subsector: Ciencias físicas - Unidad temática: - Palabras claves: fluido, Pascal, principio de Pascal, prensa hidráulica, capilaridad, presión atmosférica y barómetro. - Contenidos curriculares: - Distinción entre fluidos, por ejemplo, líquidos, gases y sólidos rígidos. Descripción elemental en términos del movimiento de los átomos o moléculas que los componen. - Características de la presión en fluidos. Deducción de la expresión para la presión a distintas profundidades de un líquido. Aplicaciones, como los frenos y prensas hidráulicas. Medición de la presión sanguínea. - Observación y caracterización del fenómeno de la capilaridad. Su importancia en el mundo vegetal, animal y otros ejemplos. - Contenidos relacionados: - 1º medio: La Luz: Propagación de la luz - 2º medio: El movimiento: Fuerza y movimiento El calor: Materiales y calor - 3º medio: : Hidrodinámica - 4º medio: Mundo atómico: El átomo. - Aprendizajes esperados: - reconocen situaciones de la vida diaria que se explican en base a la presión, como por ejemplo, el poder tomar bebida con una pajilla; - aplican el modelo atómico y molecular para explicar el comportamiento de los fluidos y los efectos de la presión; - comprenden el funcionamiento de diversos sistemas hidráulicos, como por ejemplo, el de los frenos de los automóviles; - explican el fenómeno de la capilaridad y reconocen su importancia, por ejemplo, a nivel biológico: Aprendizajes esperados de esta actividad: - Comprender qué es un fluido. - Distinguir entre un fluido y un sólido. - Comprender el concepto de presión en fluidos. - Comprender el principio de Pascal y sus aplicaciones. - Comprender e identificar el fenómeno de capilaridad. - Comprender cómo funciona un barómetro. 1

2 Recursos digitales asociados a educarchile: - Ficha temática: - Animación: Principio de pascal - Video: Pascal - Diapositivas digitales (ppt): Construyendo una prensa hidráulica y. - Juego: Quién sabe más de hidroestática. Actividades propuestas para este tema - Actividad, Principio de pascal : trata el Principio de Pascal y algunas de sus aplicaciones. - Actividad, Qué es capilaridad? : trata el fenómeno de capilaridad. A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y sugerencias sobre cómo desarrollarlas con tus estudiantes. 2

3 ACTIVIDAD: Principio de Pascal 1. Mapa de contenidos tratados Materia Sólidos (Volumen y forma definida) Moléculas distribuidas al azar. Gases y líquidos. Presión F P = A (Volumen definido) Presión de un fluido P = Dgh Principio de Pascal P = P 1 F A F2 = A 2 La presión de un líquido contenido en un recipiente cerrado se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del mismo. prensa hidráulica ó multiplicador de fuerzas 2. Desarrollo de la actividad Principio de Pascal Paso 1 Puede realizar esta actividad una vez que haya comenzado el tema de fluidos. De no ser así puede comenzar con esta actividad. Inicie la actividad definiendo: - Para ello, puede comenzar hablando sobre los tres estados de la materia. Introduzca el concepto de presión y sus unidades de medición. Paso 2 Realice las siguientes preguntas: - Por qué un buzo o un submarino están sometidos a mayor presión mientras mayor sea la profundidad a que se encuentren? 3

4 - La presión que ejerce un líquido en el fondo del recipiente que lo contiene depende o no de la forma de este? De qué factores depende? Dirija la discusión hasta que los estudiantes comprendan que la presión que ejercen los fluidos depende también de la profundidad. Puede utilizar diferentes ejemplos: - Comparar la presión que ejerce una gota de agua versus la presión que ejerce 1 L de agua. - Utilizar la presión atmosférica: Cuál es la presión que existe a nivel del mar?, cuál es la presión que existe a 2000 m de altura? Sugerimos que obtenga la expresión, en la pizarra. Paso 3 Introduzca el Principio de Pascal y para ello proponemos las siguientes preguntas: - La presión de un líquido se ejerce sólo sobre el fondo del recipiente? - Supongamos que tenemos un recipiente de plástico como una botella, y dentro de ella hay 2 litros de bebida. Qué ocurre si le hacemos un orificio a uno de los lados de la botella? Incentive la reflexión en sus estudiantes y cuestione sus intuiciones con el propósito de generar conocimiento y llegar a enunciar el Principio de Pascal. Pregunte a sus estudiantes - Dónde podemos observar este fenómeno? Se sugiere ejemplificar para facilitar la reflexión y respuesta de sus estudiantes: Supongamos que tenemos la misma botella de plástico y en ella hay 2 litros de bebida y con eso la botella está llena. Supongamos ahora, que conectamos a la botella una manguera que agrega más bebida a nuestro recipiente. Qué ocurrirá con la botella? Después de unos minutos, observaremos que la botella reventará debido a la presión que el líquido ejerce en las paredes de la botella. Por lo tanto la presión ejercida por la bebida que entra a la botella es igual para todos los puntos de la botella, y por eso la botella completa, revienta al superar su capacidad. Paso 4 Qué aplicaciones existen te este principio? Esta pregunta puede motivar la observación del video Pascal. Observen el video Pascal y deje hasta aquí la clase. Indique a sus estudiantes que esta lección la terminarán la próxima sesión. Paso 5 Inicie esta nueva sesión, recordando los conceptos revisados en la clase anterior, para ello distribuya la guía para el estudiante, disponible en el portal educarchile. Una vez que los estudiantes tengan la guía, léanla todos juntos o en pares de estudiantes. La introducción de la guía contiene toda la información que 4

5 ya se revisó en clases, por lo tanto le servirá para repasar los conceptos antes vistos. Vuelvan a ver el video, esta vez con mayor detención. Fíjense en los siguientes momentos: - El físico indica de qué trata la actividad que se muestra en el video. - El físico indica los materiales que utilizarán durante la actividad. - Se construye el aparato que permitirá realizar la actividad. - Lo que ocurre con el niño ubicado sobre el aparato construido durante la actividad. - El físico explica el fenómeno ocurrido durante la actividad. - El físico indica que construyó una máquina multiplicadora de fuerza. Paso 6 Luego de ver el video respondan las preguntas asociadas al video, las que permiten que los estudiantes reflexionen en el video anteriormente visto. Las respuestas a estas preguntas, se encuentran a continuación. 1. Cómo es el área de paso del fluido hacia la bolsa (manguera) comparada con el área en que se encuentra el fluido (bolsa)? El área de paso del fluido hacia la bolsa, es un manguera de área mucho menor al área de la bolsa. El área de paso del fluido dependerá del diámetro de la manguera, mientras que el área de la bolsa en que se encuentra el fluido depende de los lados de esta. 2. Qué ocurre con el niño que se encuentra sobre la bolsa, cuando esta se empieza a llenar? El niño que se encuentra sobre la bolsa es levantado a medida que esta se llena de agua. El agua ejerce la fuerza suficiente que permite levantar al niño. 3. Cómo es la fuerza ejercida por el fluido cuando entra a la bolsa comparada con la fuerza ejercida por el fluido dentro de la bolsa? La fuerza ejercida por el fluido cuando entra a la bolsa, dependerá del área de la manguera (área de paso del fluido), mientras que la fuerza que ejerce dentro de la bolsa dependerá del área de la bolsa. Por lo tanto, la fuerza que ejerce el fluido en la manguera es mucho menor que la fuerza ejercida por el mismo cuando está en la bolsa. 4. Observa el siguiente esquema. Indica en forma cualitativa: a) Qué fuerza es mayor, F 1 o F 2? La fuerza 1 (F 1 ) es menor que la fuerza 2 (F 2 ) F 1 < F 2 5

6 b) La dirección y sentido del fluido. Las flechas en negro, indican el la dirección y sentido del fluido en el siguiente diagrama. El fluido entra al recipiente por el punto uno, y sale de él por el punto 2. F 2 c) La magnitud de las superficies 1 y 2. (S 1 y S 2 ) La superficie en 1 (S 1 ) es menor que la superficie en 2 (S 2 ). S 1 < S 2 Paso 7 Para repasar el Principio de Pascal, invite a sus estudiantes a observar la animación Principio de Pascal, que ilustra una máquina hidráulica. Esta animación se encuentra disponible en el portal educarchile. Una vez que la observen, comenten con ellos y ellas el proceso visto y la explicación del mismo. Paso 8 Para concluir la actividad, observen la presentación en diapositivas digitales (ppt), Construyendo una prensa hidráulica. Puede utilizar este recurso como repaso a todos los conceptos revisados. 6

7 ACTIVIDAD: Qué es capilaridad? 1. Mapa de contenidos tratados Gases y líquidos Moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles. Mojan NO mojan Fuerzas de atracción Fuerzas de repulsión Capilaridad Agua sobre algunas telas Introducir una bombilla de plástico sobre un baso de bebida El líquido dentro de un capilar ascenderá hasta que la presión atmosférica se lo permita, por lo tanto asciende hasta alcanzar menor altura en capilares de menor diámetro. 2. Desarrollo de la actividad: Qué es capilaridad? Paso 1 Esta actividad pretende que los estudiantes comprendan qué es la capilaridad y de qué factores depende. Puede comenzar la actividad, recordando que estados de la materia se comportan como un fluido. Para introducir el tema de capilaridad puede dar lo siguientes ejemplos: - Cómo vemos el agua en las ventanas cuando llueve? - Cómo vemos el agua en una camiseta de algodón? - Qué ocurre con la parte inferior de los pantalones cuando caminamos bajo la lluvia? Dirija la discusión para que los estudiantes distingan cómo se moja el vidrio, y cómo se moja un trozo de tela (que absorbe el agua). 7

8 Paso 2 Dirija la discusión para encontrar una posible respuesta a este fenómeno, de acuerdo a las interacciones que existen entre tales superficies. Puede dirigirla haciendo hincapié en que el agua se hace parte de la tela, sin embargo no se hace parte del vidrio. - Cómo son esas relaciones? - Hay interacciones entre el agua y la tela o entre el agua y el vidrio? - Cómo son esas interacciones? Paso 3 Distribuya la guía para el estudiante disponible en el portal educarchile. Lean juntos la introducción de esta guía. Destaque y refuerce el concepto de capilaridad, y las fuerzas de atracción y repulsión que determinan este fenómeno. Paso 4 Observen el video Capilaridad. En él se puede ver este fenómeno en tres capilares introducidos en un recipiente con alcohol. Destaque los siguientes momentos: - El físico indica de qué trata la actividad de este video. - El físico indica los materiales que utilizará en la actividad. - El físico introduce los tres capilares dentro del recipiente con alcohol. - Una vez que fueron introducidos dentro del recipiente, observa cada capilar. - El físico indica a qué se debe lo que observaste en los tres capilares al introducirlos al recipiente con alcohol. Vean el video más de una vez, si es que lo considera necesario. Paso 5 Al terminar el video, haga preguntas referentes a él para que los estudiantes describan lo que observaron. Puede realizar estas preguntas a voz alzada. Sugerimos las siguientes preguntas: 1. Qué ocurrió cuando el físico introduce los tres capilares dentro del recipiente con alcohol? 2. Los tres capilares son iguales? 3. En qué capilar, el fluido alcanza mayor altura? Sugerimos utilizar esta última pregunta para comenzar una discusión orientada a la explicación de por qué el fluido deja de ascender. Y por qué alcanza menor altura en el capilar más delgado. Puede hacer las preguntas directamente. Termine aquí la sesión. Indique a sus estudiantes que terminarán esta actividad en la siguiente clase. 8

9 Paso 6 Inicie la clase recordando qué contenidos estaban revisando. Repase el video, y recuerde la pregunta planteada la clase anterior. (Si es necesario pueden volver a ver el video). Para encontrar las respuestas, es necesario: - Recordar el concepto de presión atmosférica - Destacar las diferencias de áreas que existen entre los tres capilares. Puede inducir la respuesta por parte de los estudiantes con las siguientes preguntas: - Qué fuerza existe sobre nosotros? - Existirá alguna fuerza que no permita que ascienda más el alcohol? Continúen leyendo la guía, para encontrar o reforzar la respuesta, en ella existe un dibujo de apoyo a la comprensión de este concepto. Paso 8 Para aclarar el concepto de presión atmosférica, como la fuerza que ejerce la atmósfera sobre nosotros, realicen la última actividad que consiste en describir qué ocurre con la presión atmosférica a diferentes alturas. Para ello, existe un esquema de un barómetro cuya función es indicar la presión atmosférica mediante un tubo en forma de U, cerrado por un lado y abierto por el otro, que contiene un fluido que responde a la fuerza que ejerce la atmósfera sobre él. Este tubo está graduado por el lado en que está abierto, de manera que si existe mayor presión el fluido no subirá, mientras que si existe menor presión el fluido asciende por el tubo. Paso 9 Para concluir la actividad, pregunte a sus estudiantes - Dónde existe mayor presión, a nivel del mar altura? o a 3000 metros de 9