Taller de Física Experimentos para todos. Valladolid marzo 2013

Transcripción

1 Taller de Física Experimentos para todos Valladolid marzo 2013

2 El Mundo Físico... Qué es el Medio Natural? De qué está hecho todo? La vida El Universo Y todo lo demás...

3 Parte I Reflexiones muy generales

4 Cuál es el método más eficaz de enfrentarse al Medio Natural? Reduccionismo frente a Propiedades Emergentes. Zona de visión. Podemos captar sólo algunos niveles a la vez. Todo es parte de otra cosa, y (casi) todo tiene una causa. Se puede responder a los Por qué...? indefinidamente? Diapositiva 3 de 258 (por lo menos) Complejidad creciente

5 Que dice el BOE dice al respecto: Competencias básicas. Bla..Bla Bla Bla desenvolverse adecuadamente, Bla Bla en ámbitos de la vida y del conocimiento Bla Bla Bla Bla Bla espíritu crítico Bla Bla todos los seres humanos se beneficien del desarrollo Bla Bla solidaridad global e intergeneracional Bla Bla consumo responsable Bla Bla vida física y mental saludable en un entorno natural y social también saludable Bla Bla respeto hacia los demás Bla Bla Bla Bla uso responsable de los recursos naturales, el cuidado del medio ambiente, el consumo racional y responsable, y la protección de la salud individual y colectiva Bla Bla Bla valores y criterios éticos asociados a la ciencia y al desarrollo tecnológico = Ser buena persona O por lo menos Tener buen rollito

6 interpretar el mundo Bla Bla Blapercepción del espacio físico Bla Bla conceptos científicos y técnicos Blaidentificar y plantear problemas relevantes; realizar observaciones directas e indirectas con conciencia del marco teórico e interpretativo que las dirige; formular preguntas; obtener, analizar y representar información cualitativa y cuantitativa; plantear y contrastar soluciones tentativas o hipótesis; realizar predicciones e inferencias de distinto nivel de complejidad; e identificar el conocimiento disponible (teórico y empírico) necesario para responder a las preguntas científicas y para obtener, interpretar, evaluar y comunicar conclusiones en diversos contextos (académico, personal y social). = Ser candidato (serio) a premio Nóbel Y además Ser buen periodista científico Asimismo, implica la diferenciación y valoración del conocimiento científico al lado de otras formas de conocimiento Es decir, todo esto nos lleva a tener una visión global bastante aproximada, rigor científico, mucho discernimiento, cuerpo de doctrina y capacidad de relativizar, entre otras cosas. =? Este resumen se debe a J.L. Cuerda

7 Para transmitir algo que se entienda, necesitamos: Un lenguaje común. (necesario para intercambiar información)... Competencia en comunicación lingüística Una Estructura de Experiencias común. (necesario para integrarla) A eso vamos, a crearla... También hay que crear el andamiaje para construir el resto. Las grandes estructuras del pensamiento Afinar conceptos primarios: Movimiento, Peso, Luz... Introducir los referentes de espacio y tiempo (y su relatividad) Los conceptos físicos no-tan-evidentes (preparar el terreno)

8 Paso a paso. Experimentar Intuición Modelos del mundo --> Predicciones Experimentos con resultados NUEVOS e INTERESANTES. Ellos ya saben jugar con plastilina y manejar ordenadores mejor que nosotros! Triángulo fractal de Sierpinski en plastilina

9 Una parte importante de la interacción con el mundo físico es protegerse uno mismo. Y hay que aprender a hacerlo. Lo que no es posible si no hay riesgos. Alguien recuerda el Cheminova o el Quimicefa? Ahora serían ilegales Pero muchos químicos les deben su vocación.? La sobreprotección puede producir insensatez. Hay soluciones intermedias.

10 Parte II Por qué hacer algo diferente?

11 Por qué hacer algo nuevo en vez de seguir como antes?? Caso claro de Síndrome de la Lección Repetitiva Una vez decididos... Qué hacer: El espectro experimental Cómo hacerlo: Estilo

12 Razones a favor... Los experimentos como herramienta didáctica: Por qué?? La Ciencia describe la naturaleza en base a la observación de los fenómenos. Lo que enseñamos se refiere a fenómenos reales de un mundo real (aunque a veces idealizado). Motivación: Los experimentos pueden ser interesantes ya que pueden contener elementos de sorpresa. Fijación de conceptos: Se recuerda mejor algo que nos ha sorprendido. Permiten vender la Ciencia como algo divertido. Razones en contra... No hay horas de clase para ello Requieren una preparación cuidadosa Efectivamente... Pueden no funcionar No se dispone de material Pueden sustituir a otro material y su ejecución puede ocupar poco tiempo. Se aprende más cuando algo no funciona. SIEMPRE hay una razón. (Hay que ensayar...) Se puede improvisar en muchos casos, pero requiere tiempo (ver puntos 2).

13 Qué hacer: El espectro experimental Categoría Con qué se experimenta? Cómo se hace? Interactividad: Experimento Naturaleza El alumno realiza el experimento Total Demostración Naturaleza domesticada El profesor realiza el experimento Grande Vídeo Naturaleza maquillada Un tercero realiza el experimento Nula Simulación Ecuaciones Se usa un programa informático Pasable Animación Imagen que el autor tiene del fenómeno Se supone que alguien ha realizado el experimento y lo ha dibujado Nula Narración Nada Nadie realiza el experimento, pero se supone que se conoce el resultado.??

14 Las demostraciones como herramienta didáctica: De qué modo hacerlo: Estilo Hacer las cosas visibles (hasta para los alumnos de la última fila). Hacer las cosas simples. Sólo un fenómeno cada vez. Observar los fenómenos, y de ellos obtener las Leyes. No tratar de justificar un fenómeno por la ley física. (Esto es difícil) Usar dibujos en la pizarra para esquematizar las cosas. Ayuda a quitar magia a las demostraciones. Intentar involucrar a los alumnos. Qué pasaría si...? Realizarlas en el momento preciso. Adaptarlas al nivel del alumnado. Y si no hay forma Videos gratis

15 Sobre todo, hay que quitar Magia al asunto. Estamos viendo como funciona la Naturaleza Y podemos entenderla (al menos en parte)

16 Johann Friedrich Greuter app Arcanis nodis ligatur mundus

17 Colin Cive et al. Frankenstein, 1931

18 William Lawrence Bragg en la lección navideña de la Royal Institution.1961

19 La magia la tenemos todos los días: Podemos Ver lo que sucede en otro sitio Predecir el futuro

20 Volar Controlar objetos a distancia

21 Nuestras máquinas de magia están siempre cerradas. Habrá alguna razón para ello o será por nuestro bien?

22 Sin embargo, la magia está siempre bastante disponible.

23 Sin embargo, la magia está siempre bastante disponible. A veces con consecuencias no deseadas.

24 Parte III Materiales a usar

25 Podemos recurrir a lo más cómodo = Pero también podemos hacer otras cosas

26 No hacer caso de Y desmontar lo que pillemos Se aprende mucho haciéndolo.

27 Y se pueden obtener MUCHAS partes útiles + =

28 ?

29 Otros ejemplos:

30 También podemos usar cosas que ya tenemos (sin desmontarlas): Las entradas y salidas de sonido tiene aplicaciones muy interesantes. Que no tienen que ver con el sonido, necesariamente Una webcam normalita permite ver y medir fenómenos rápidos.

31 Entrada: Características Puede medir voltajes de unos pocos mv con 16 bits de resolución. Como mínimo medidas por segundo. Normalmente Uno o dos canales (probar) Hay software gratuito muy variado para manejarla (y si no, se escribe, que no es tan difícil). Con transductores adecuados podemos medir: Sonido, vibraciones (micrófono) Luz (fototransistor) Campos magnéticos alternos (bobina) Vibraciones del suelo (bobina + imán) Lo que se nos ocurra que podamos transformar en algo de lo anterior (imaginación) ph, temperatura, iluminación con un poco de electrónica Inconvenientes Sólo funciona entre 10 Hz y 25 khz (más o menos) Puede estropearse con unos pocos voltios (usar tarjetas de sonido USB?) Salida: Podemos generar cualquier par de formas de onda entre 10 Hz y 25 khz (más o menos)

32 Parte IV Algunas posibilidades

33 Empezamos usando el ordenador para MEDIR tiempo. Resolución entre 10 y 20 µs se pueden medir fenómenos bastante rápidos. Ejemplo 1: dejamos caer una bola de acero sobre una superficie dura. Micrófono Al PC Toc Toc..Toc.TocTocToctoc Medimos tiempo entre rebotes. Podemos determinar el coeficiente de restitución (entre otras cosas) Software necesario: Toma de datos Audacity Tratamiento Excel (Esto requeriría otra ponencia completa)

34 Ejemplo 2: Dos micrófonos conectados al ordenador (Ojo, no todos los ordenadores tienen entrada de micrófono estéreo) Micrófono Al PC Canal Derecho d Micrófono Al PC Canal Izquierdo Medimos tiempo entre el paso de la onda por los dos canales. Determinamos la velocidad del sonido de una forma muy precisa Si el ordenador no tiene entrada estéreo lo arreglamos con un tubo largo cerrado por un extremo Micrófono d Al PC Ahora la distancia que recorre el sonido es 2d. Se pueden observar varios rebotes con sus correspondientes cambios de fase. OJO El micrófono es sensible a la PRESIÓN extremo cerrado no cambia la fase. El tubo se puede llenar con otros gases (CO2, He) y ver el efecto poniéndolo vertical, claro. Software necesario: El mismo que en el caso anterior Crítico: una buena fuente de sonido cuyo descubrimiento se deja para el ávido lector.

35 Ejemplo 3: Ya que estamos con el tubo, empleamos el ordenador para producir y detectar el sonido. MUY flexible Micrófono d Al PC Desplazamiento Presión O está todo mal? Software necesario: Toma de datos Souncard Oscilloscope (

36 Ejemplo 4: Demostraciones diversas Con un globo lleno de dióxido de carbono se puede montar una lente acústica. Funciona mejor a frecuencias altas. El foco se encuentra bastante cerca del globo. Manteniendo fijos altavoz y micrófono se coloca el globo y se observa un aumento de la señal. Con dos altavoces Misma frecuencia y desfase nulo máximo en el centro Misma frecuencia y desfase 180ºnulo en el centro. En un laboratorio pequeño hay problemas con la onda reflejada. Todo se controla desde el ordenador con soundcard oscilloscope o similar. Es posible sustituir el micrófono por un oído (sólo uno )

37 Cambiamos de tercio. Un micrófono convierte (variaciones de) presión en voltaje Así se conecta En el peor de los casos. C no es necesario Un fototransistor convierte (variaciones de) luz en voltaje Por lo tanto: Ejemplo BPW77, precio 2,5 (los hay más baratos)

38 Ejemplo 5: El péndulo (cómo no). Colocando una lamparita y un fototransistor medimos el periodo. Precisión enorme en una sola oscilación (menos aburrido que lo habitual). Involucra un ordenador (mola). Es algo nuevo (curiosidad. Qué pasaría si..?). Permite ver que un péndulo real no es ideal (dependencia de T con la amplitud) Consejos. Longitudes grandes, masa esférica (para poder determinar l con precisión). La luz conviene que sea regulable (para ajustar la sensibilidad del montaje). El hilo puede ser muy fino. Fototrans. Al PC Software necesario: Toma de datos Audacity Tratamiento Excel

39 Ejemplo 6: La caída de la piedra (v. 1.0) Unimos un objeto pesado a una cinta con líneas separadas una distancia conocida Colocando una lamparita y un fototransistor medimos lo que tarda cada franja en pasar cuando el objeto cae. Posición en función del tiempo Método muy directo e intuitivo. Multitud de datos en una única caída (Iniciación al tratamiento de datos) Muy apto para trabajo en grupo ya que hay que Imprimir la cinta Pegarla a la bola ( manualidades? pretecnología? Habilidades transversales?) Soltarla mientras otro mide. Repetir si sale mal Procesar los datos. Hace ruiditos muy parecidos al scratch (mola mazo a.k.a. supercool) Fototrans. Al PC Puede considerarse un experimento avanzado ya que: La gran cantidad de datos que genera obliga a usar algún método para procesarlos (script o macro de Excel) y a pasar los datos entre Audacity y Excel. Iniciación a la programación. Permite una introducción a las técnicas de regresión lineal. Tratamiento y reducción de datos. También puede hacerse a mano, pero resulta algo tedioso

40 Ejemplo 7: La caída de la piedra (v. 2.0) Con un equipo no demasiado caro (50 ) pueden tomarse hasta 60 imágenes por segundo para analizarlas después. Toda clase de fenómenos que incluye (pero no se limita a) la caída de graves. Como se obtiene un vídeo, puede repartirse a los alumnos para que hagan el análisis en casa. Consejos: No todas las cámaras ni todos los ordenadores son iguales. Hay que probar varios modelos hasta encontrar el más conveniente. 30 IPS casi con cualquier equipo. 60 IPS ya es más difícil. La cámara tiene que estar en modo manual, con exposición mínima y sin corrección de parpadeo. Si hay poca luz se va uno a la calle o se pone un foco. Webcam o cámara de vídeo Escala graduada (puede proyectarse) Software necesario: Grabación, elaboración y exportación del vídeo VirtualDub.

41 Ejemplo 8: Choque elástico Sobre una mesa horizontal y oscura (mesa de billar) se hacen colisionar bolas de acero. Ejemplo 9: Ondas en cuerdas Con una cuerda elástica (de las usadas para atar equipajes) se pueden ver perfectamente las leyes de reflexión de ondas. Al grabarlas se pueden analizar a baja velocidad. (complementa a los experimentos de acústica) Software necesario: Grabación, elaboración y exportación del vídeo VirtualDub. Tratamiento de las imágenes Gimp (posiblemente), Excel (macros)!

42 Ejemplo 10: Demostraciones y experimentos variados Una webcam (y una cámara de teléfono móvil) es bastante sensible a la luz infrarroja. Si se desarma la cámara (ver más atrás) y se elimina el filtro anti-infrarrojo más aún. La luz de los mandos a distancia de TV se ve perfectamente (se pueden usar como linterna). El color de la ropa cambia mucho al verla en infrarrojo. La tinta de bolígrafo es transparente, El lápiz no. Con un fototransistor se puede captar la señal de los mandos (y grabarla en el móvil y con un led reproducirla y liarla a gusto ) Con lo que entraríamos en la parte de óptica, con la que no quiero enredarme ahora. (en tiempo de melones ) Otras ideas: Cohetes de aire comprimido (o de agua Horror). Levitar bolitas con un chorro de aire. Medir la velocidad de algo (cerbatana con tubo y corcho, coche de juguete, coche de verdad) con fototransistor. Medir la velocidad de coches en la calle pintando dos líneas en el suelo y grabando el paso (posiblemente ilegal. La ciencia exige a veces eso).

43 Arcanis nodis ligatur mundus Hoy, esos nudos son menos misteriosos y el principal es el Electromagnetismo. Veremos experimentos de: Electrostática. Magnetismo. Electromagnetismo Óptica.

44 Algo importante es ver que muchos fenómenos tienen el mismo origen. (a todo esto, cómo transmitimos la noción de escala?) Podemos producir y usar ondas electromagnéticas en un amplísimo rango de frecuencias... Con longitudes de onda tan pequeñas como un átomo... O tan grandes como queramos.

45 Pero empecemos por el principio... Cómo producir carga eléctrica? Varillas o tubos de diversos materiales: Metacrilato frotado con papel de celulosa (carga positiva) PVC frotado con papel de celulosa (carga negativa) Láminas de plástico: Transparencias de poliester, globos... Frotados con papel de celulosa o diversos tejidos. Hay que probar en cada caso..

46 Generadores piezoeléctricos: Muy fáciles de conseguir (los clásicos Magiclick) Permiten alcanzar potenciales de unos 15 Kv Producen carga de ambos signos. Funcionan incluso con elevada humedad ambiente Muy apropiados como fuentes de iones F F Precauciones: Sólo sirven los modelos llamados multichispa La carga producida es de un signo al pulsar y de otro al soltar el gatillo. Pueden producir corrientes elevadas (riesgo de descargas)

47 Con trocitos de papel, por ejemplo... Pero mejor Péndulos electrostáticos Constituyen el detector más simple. Cómo detectar carga eléctrica? Se construyen colgando una esfera conductora muy liviana mediante un hilo aislante. Sugerencias... Esferita de poliestireno expandido de 2 ó 3 cm de diámetro Recubierta de papel de aluminio FINO o de oro. Hilo de suspensión de nylon (NO usar algodón). Conviene que la barra horizontal de suspensión sea también aislante.

48 Electroscopios Se basan en la repulsión entre cargas del mismo signo Es necesario que las láminas sean muy ligeras (Au, Al) y, sobre todo, muy flexibles. Las láminas deben de montarse enfrentadas a paredes conductoras. Las aristas de las láminas van a producir la autodescarga por efecto de puntas.hay que redondearlas.

49 Experimentos: Acercar un objeto cargado al péndulo. Se observa primero un acercamiento y luego un alejamiento. Una vez cargado el péndulo, acercar varillas de diversos materiales previamente frotadas con papel o tela. Comprobar los signos de las cargas producidas. Entre dos placas conductoras paralelas, una aislada y la otra conectada a tierra, colocar el péndulo. Cargando la aislada se observa un efecto pingpong hasta que la carga se ha trasladado de una placa a la otra. Muy simple de realizar con dos latas de refresco. Sirve para poner de manifiesto multitud de fenómenos. Hacer rodar una lata (vacía) acercando una varilla cargada

50 Experimentos: Acercar un objeto cargado a un pequeño chorro de agua saliendo de un grifo. El chorro se desviará de la vertical de manera notable. (Carga por influencia) Si se dispone de una máquina de Van de Graaf... Colocar un apilamiento de recipientes conductores ligeros (moldes de cocina de Aluminio) sobre el Van de Graaf. Al ponerlo en marcha salen volando de uno en uno. (Distribución de carga en conductores) Colocar un penacho de cintas conductoras ligeras (papel, cinta magnetofónica,...) sobre el generador. Divergerán al ponerlo en marcha (Carga por conducción, electroscopio)

51 Experimentos: Se puede realizar el experimento con un voluntario situado sobre un soporte aislante. Si toca con la mano el generador Van der Graaf y éste se pone en marcha (en este orden!!) sus cabellos se comportarán como las cintas del punto anterior. Notas: El voluntario debe de permanecer alejado de todo objeto conductor. Como soporte aislante basta una plancha gruesa (10 cm) de poliestireno expandido. Nunca debe de intentarse el experimento con generadores de alta tensión que puedan proporcionar más de unos pocos microamperios de corriente. Comprobarlo con un amperímetro, no fiarse de los cálculos!!

52 Las cargas pueden tener dos naturalezas (signos) diferentes Cargas iguales se repelen. Cargas diferentes se atraen Por qué sucede esto? + -

53 Sigamos con los Imanes: Objetos un tanto misteriosos

54 Hay muchas clases de imanes, y su construcción ha evolucionado mucho Ferrita de bario (1980) Magnetita (1750) Nd Fe B (2000) Los tres almacenan la misma energía (1J) Y no parece que se pueda ir mucho más lejos.

55 Nosotros usaremos principalmente de tres tipos: Ferritas de bario o estroncio: Muy baratos y fáciles de conseguir. Poco potentes. Frágiles (son cerámicos). Imanes de AlNiCo: Metálicos. Los clásicos de herradura. Algo mejores que las ferritas. Se desimanan fácilmente. Imanes de Neodimio: En extremo potentes. Frágiles (son sinterizados). PELIGROSOS (especialmente los grandes) No dejarlos al alcance de los estudiantes (se los llevan)

56 Fuerza entre imanes: Cualitativamente es muy fácil... d Cuantitativamente, no tanto. Puede medirse así, pero si los imanes no son muy largos el resultado es difícil de interpretar (Ojo, las balanzas suelen ser sensibles a los campos magnéticos)

57 Líneas de fuerza: Se pueden visualizar muy fácilmente con limaduras de hierro. O con tóner de fotocopiadora o impresora láser. (algunos son magnéticos) Cuidado nocivos si se inhalan. Manchan asombrosamente bien.

58 Aplicaciones: Brújula: Muy simple de construir. Sugerencias: Imanes cortos de neodimio Muy eficaz. Poco amortiguada. Tira de acero Permite imanarla en los dos sentidos. Funcionamiento más lento. Las brújulas comerciales también funcionan muy bien

59 El Cañón de Gauss : Serie de imanes (Nd) y bolitas de acero Antes de disparar. Después de disparar La energía potencial magnética se transforma en cinética.

60 El Levitrón: El imán inferior crea un campo magnético no homogéneo Y la peonza precesa alrededor de sus líneas de fuerza. El equilibro es estable sólo dinámicamente. Teorema de Earnshaw

61 Electroimanes: Con muy poca corriente se pueden producir fuerzas enormes. Con este electroimán y una pila. (Es fundamental que los núcleos ajusten muy bien).

62 Otro experimento muy ilustrativo: Anillo conductor cerca de un imán. Aparece fuerza atractiva o repulsiva según alejemos o acerquemos el imán. Sólo puede ser debida a corrientes en el anillo que aparecen cuando el flujo magnético varía. Para que todo esto funcione bien: Usar imanes muy potentes (NdFeB) Usar como conductores aluminio o cobre (siempre no magnéticos) Así funcionan las linternas de agitar y los enormes generadores de las centrales

63 Otros experimentos... Transformadores de alta tensión Muy vistosos por las chispas...pero peligrosos Alta frecuencia: Bobinas de tesla. Baja frecuencia: Carretes de Ruhmkorff. Siempre requieren mucha precaución.

64 Generadores y motores: El más simple: Motor homopolar Pila Trozo de hilo de cobre Imán Así de simple

65 Los imanes tienen dos polos que no se pueden separar Polos iguales se repelen. Polos diferentes se atraen. Los imanes se parecen mucho a corrientes eléctricas (carga en movimiento) Cuando se mueve un imán se puede producir corriente

66 La luz es una onda electromagnética: De una frecuencia muy muy alta. Viaja, como las demás ondas electromagnéticas, a una velocidad muy determinada ( C = m/s). Con una longitud de onda de unas 0,5 milésimas de milímetro (para el verde).

67 Experimento: Cámara oscura: El rudimento de la cámara fotográfica Con esténope (agujerito) Poca luz. No es necesario enfocar Con lente. Mucho mejor, pero hay que enfocar Conclusión: La luz viaja en línea recta...

68 Experimento: Puntero laser y bloque de metacrilato. Conclusión: La luz viaja en línea recta... Hasta que encuentra un medio transparente Experimento: Puntero laser y trocito de papel. Posiblemente el experimento con más consecuencias de toda la Física Conclusión: La luz interfiere consigo misma, luego es una onda. Luz + luz puede dar oscuridad.

69 Experimento: Flip Book. (Folioscopio), o ir al cine... Conclusión: El ojo es lento de respuesta. El comienzo del cine Experimento: Mando a distancia de infrarrojos y teléfono móvil (o cámara fotográfica digital). Conclusión: Hay luces que el ojo no puede ver (pero una cámara sí).

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