Guía para el docente El movimiento Energía mecánica. Guía para el docente

Transcripción

1 Guía para el docente Descripción curricular: - Nivel: 2º medio - Subsector: iencias Físicas - Unidad temática: - alabras claves: Energía, Energía potencial, energía cinética, conservación de la energía, energía mecánica, energía y movimiento. - ontenidos curriculares: - Trabajo y energía potencial debida a la fuerza de gravedad cerca de la superficie de la tierra. Energía cinética. onservación de la energía mecánica en ausencia del roce. - ontenidos relacionados: - 1º medio: La Luz: ropagación de la luz Naturaleza de la luz. La Electricidad: Energía eléctrica. - 2º medio: : Descripción del movimiento Fuerza y movimiento. El alor: ateriales y calor onservación de la energía. - 3º medio: ecánica: onservación energía mecánica. - 4º medio: Fluidos: Hidrodinámica. undo atómico: El núcleo atómico. - Aprendizajes esperados: - describen el movimiento de un objeto en términos de los conceptos físicos relevantes como velocidad, aceleración, fuerza, cantidad de movimiento, torque, energía, etc. Aplican estos conceptos a situaciones de la vida cotidiana en que ellos se manifiestan; - reconocen que con ayuda de unos pocos conceptos son capaces de describir y entender realidades aparentemente complicadas (cómo y por qué se mueve un cuerpo, por ejemplo); - comprenden que mientras algunas magnitudes físicas cambian y evolucionan con el transcurrir del tiempo (como la velocidad), otras permanecen constantes (como la cantidad de movimiento y la energía total); - reconocen su capacidad para obtener resultados numéricos útiles mediante cálculos sencillos (uso de las leyes de conservación de la energía mecánica); Aprendizajes esperados de esta actividad: - omprender y analizar el concepto de energía cinética. - omprender y analizar el concepto de energía potencial. - omprender y analizar el concepto de energía mecánica. - omprender e identificar el principio de conservación de la energía mecánica. 1

2 - Aprender a observar, describir y explicar un fenómeno físico. Guía para el docente Recursos digitales asociados de - Ficha temática - Video: onservación - Juego: Quién sabe más? de Energía ecánica - Diapositivas digitales (ppt): : Roce y energía, Descubriendo la energía mecánica, La energía que nos da vida. Actividades propuestas para este tema: Dos actividades que están vinculadas al video onservación de la energía. - Actividad, Qué es la energía mecánica? : busca que sus estudiantes comprendan qué es la energía cinética, potencial y mecánica. - Actividad, Se puede comprobar el principio de conservación de la energía?: pretende que los estudiantes observen, describan y expliquen el fenómeno que ven en el video. A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y sugerencias sobre cómo desarrollarlas con tu estudiantes. 2

3 ATIVIDAD: Qué es la energía mecánica? 1. apa de contenidos tratados apacidad de realizar un trabajo Nuclear Energía Térmica Lumínica Química onservación de la energía: E = constante E = E + E = cons tan [ ] te Energía cinética 1 mv 2 2 E = E + E Energía potencial mgh Energía asociada al movimiento Energía asociada a la posición 2. Desarrollo de la actividad: Qué es la energía mecánica? aso 1 Recomendamos iniciar esta actividad, con una pregunta como lo siguiente: - Qué tiene que ocurrir para que un cuerpo se mueva? En general, los estudiantes reconocen la energía como función del combustible para los automóviles o en función de la alimentación que requerimos para tener energía y realizar las acciones del día. Luego de que sus estudiantes hayan explicado esta concepción de la energía, traslade la pregunta hacia cuerpos inertes (sin vida) y que no tienen un motor que funcione con algún tipo de combustible. Sugerimos preguntar: 3

4 - Los objetos inertes, tendrán energía? Lo importante es que esta pregunte abra un espacio para la discusión y el rescate de las experiencias previas. uede anotar en la pizarra lo que vayan diciendo sin emitir juicios, No importa que no contesten lo correcto. Sobre la base de la misma pregunta, enfóquela hacia la situación de que este mismo objeto está ubicado a una altura de 20 pisos de un edificio. - Si ubicamos un objeto en el último piso de un edificio de 20 pisos. Este objeto tendrá energía? Lo interesante es que con sus reflexiones lleguen a comprender que los objetos inertes tendrán energía mecánica dependiendo de la posición en la que se encuentren, o bien en el caso de que se si se encuentran en movimiento depende de la velocidad de ellos. aso 2 Entregue a sus estudiantes la guía de preguntas asociada a este tema. En esta guía se incluyen los conceptos de energía y energía mecánica. Sus estudiantes deben leer esta guía y, si es necesario, deben complementar la información con otros materiales bibliográficos que pueden adquirir en el portal de educarchile, otros medios en Internet o bien, en una biblioteca. Lean esta guía juntos, en grupos o pares de estudiantes. Luego de leer la guía, refuerce los conceptos de: - Energía (capacidad de un cuerpo para realizar trabajo). - La energía se transforma en distintos tipos y nunca se pierde. or lo tanto, la energía total de un sistema es siempre constante. ara reforzar este concepto, puede recurrir a distintas situaciones, como por ejemplo: - Un motor conectado a una batería eléctrica. En él la energía química contenida en la batería se transforma en energía eléctrica que enciende el motor. Luego esta energía, a su vez, se transforma en energía mecánica. - La energía que utilizamos en calentar el agua. En este proceso la energía química contenida en el combustible se transforma en calor que aumenta la temperatura del agua. or último refuerce el concepto de energía mecánica, como la energía asociada al movimiento y posición de los cuerpos y que corresponde a la suma de energía cinética más potencial. E = E + E aso 3 Los estudiantes deben investigar qué es la energía cinética y potencial de los cuerpos y, por lo tanto, completar el concepto de energía mecánica. Una vez que hayan recopilado y revisado la información disponible, pídales que comiencen a contestar las preguntas de la guía, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 4

5 I. Infórmate sobre lo qué es la energía potencial y la cinética y defínela por escrito. La energía cinética se vincula al movimiento de los cuerpos. ara obtener el valor o módulo de la energía cinética se obtiene mediante la expresión: 1 2 E = mv 2 La energía cinética depende de la masa (m) y velocidad de los cuerpos (v). or tanto, mientras más masa tenga un cuerpo, el valor de la energía cinética será mayor. Si un objeto se encuentra en reposo absoluto, el valor de esta energía será igual a cero. A medida que aumente la velocidad, la energía aumentará. La energía potencial se asocia a la posición de los cuerpos. ara obtener el valor de la energía potencial se debe utilizar la expresión: E = mgh La energía potencial depende de la masa del objeto (m), de la constante de gravedad (g), y la altura de los cuerpos (h). Del mismo modo que la energía cinética, la masa y la energía potencial de un cuerpo son proporcionales. Lo mismo ocurre con la altura (posición) del cuerpo. aso 4 Vean juntos el video onservación de la energía. Destaque los siguientes momentos: - El físico arma un sistema en el que ordena tres pelotas sobre un tornillo de modo que queden unidas, ubicando la más pequeña al principio. - El físico deja caer este sistema con las tres pelotas. - Observa el comportamiento de la primera pelota (o la más pequeña). ueden ver el video más de una vez, si que lo considera necesario. aso 5 Una vez que hayan visto el video, lean las preguntas de la guía de actividades y contéstenlas. Estas preguntas pretenden que los estudiantes describan el fenómeno que acaban de observar, luego que reflexionen en él y encuentren una respuesta que permita explicar por qué la pelota pequeña alcanzar mayor altura luego de rebotar en el suelo. uede hacer algunas de las siguientes preguntas a voz alzada iniciando una discusión que permita descubrir qué ocurrió con la energía contenida en las pelotas. Las respuestas a dichas preguntas se encuentran a continuación. a) ómo están dispuestas las pelotas que utilizan en el video? El físico utiliza tres pelotas; dos de igual tamaño y una un poco más pequeña. Fabrica un sistema con un tornillo y una bombilla de plástico, la que hace pasar a través de las tres pelotas con el fin de que queden en contacto, sin estar amarradas y fijas entre sí. 5

6 b) rimero describe lo que hace el físico con el sistema que fabricó y que contiene las tres pelotas. Luego, explica lo que ocurrió con la pelota más pequeña cuando todas las demás caen al suelo. Luego de que el físico termina de fabricar y armar el sistema con las tres pelotas, deja caer este sistema desde una altura aproximadamente igual a la mitad de su estatura, es decir desde su cintura. Las tres rebotan en el suelo. Las dos más grandes rebotan y recorren una pequeña distancia desde el suelo, en cambio la pelota más pequeña (que se encuentra ubicada en la parte de arriba del sistema), rebota y recorre una distancia superior a la altura desde la cual fue lanzada. En el video se observa que la pelota más pequeña rebota en el suelo y alcanza una altura muy superior. c) uando las pelotas aún no se dejan caer al suelo, tienen energía? Las pelotas se dejan caer desde una altura aproximadamente igual a la mitad de la estatura del físico. or lo tanto este sistema se encuentra en altura, lo que implica que tiene energía potencial gravitacional. Si se encuentran en reposo a esa altura, toda la energía mecánica de este sistema será igual al valor de la energía potencial que tengan. E = E + E E Si E = E = 0, entonces : d) ientras las pelotas van cayendo, tienen energía? Explica. ientras el sistema con las tres pelotas va cayendo al suelo adquieren una velocidad de acuerdo a la aceleración de gravedad. or lo tanto van 1 2 adquiriendo energía cinética, E = mv. 2 El valor de energía mecánica sigue siendo igual al mismo valor inicial, pero ahora se compone de energía potencial y cinética. Esto quiere decir, que el valor de la energía potencial, comienza a disminuir conforme a la disminución de la altura, en función del aumento de la energía cinética. Ahora la energía potencial es: E = E + E e) Qué ocurre con la energía que transporta inicialmente cada pelota, una vez que rebotan en el suelo? La energía mecánica que transportan las pelotas más grandes se transfiere a la pelota más pequeña, la que rebota y es impulsada a mayor altura que las demás. La energía transferida a la pelota pequeña se utiliza en que la pelota sea impulsada a mayor altura. 6

7 aso 6 ara algunos estudiantes, no es claro por qué se agrupa la energía potencial y cinética en energía mecánica. En la guía existe una pequeña aclaración que pueden leer con conjunto y luego reforzar para que quede más claro. uede explicar que la energía en un cuerpo se puede transformar en trabajo o calor, es más fácil entender que la energía que se transforma en trabajo corresponde a la energía mecánica de los cuerpos, y a su vez, esta es la suma de la energía potencial y la energía cinética de ellos y así, podemos estudiar sólo la energía que se transforma en trabajo apartando aquella que se dispersa al ambiente como calor. ara concluir esta actividad, pídale a sus estudiantes que identifiquen diferentes energías que tienen los cuerpos en las siguientes situaciones: Situación 1. Una pelota ubicada en el décimo piso de un edificio. 2. Un automóvil bajando una cuesta. 3. Una persona trotando en la playa. 4. Una pelota que cae desde un 5º piso, Qué energía(s) tiene cuando pasa por el 3º piso? Energía otencial otencial cinética inética otencial cinética y y 7

8 ATIVIDAD: Se puede comprobar el principio de conservación de la energía? 1. apa de contenidos tratados apacidad de realizar un trabajo Nuclear Energía Térmica Lumínica Química onservación de la energía: E = constante E = E + E = cons tan [ ] te Energía cinética 1 mv 2 2 E = E + E Energía potencial mgh Energía asociada al movimiento Energía asociada a la posición 2. Desarrollo de la actividad: Se puede comprobar el principio de conservación de la energía? aso 1 ediante esta actividad se busca que los estudiantes que la desarrollen puedan observar y describir fenómenos que ocurren comúnmente a nuestro alrededor relacionados con la conservación de la energía. Recomendamos realizar esta actividad luego de haber revisado los contenidos de energía, energía cinética, energía potencia y energía mecánica, así como haber enunciado el principio de conservación de la energía. 8

9 otívelos explicándoles que van a observar el video en el que se evidencia la transferencia de energía entre dos cuerpos. ara iniciar esta actividad, entregue a sus estudiantes la guía de preguntas asociada a este tema Se puede comprobar el principio de conservación de la energía? Lean esta actividad, todos juntos, en grupos o pares de estudiantes. Luego de que hayan leído la introducción de esta actividad, pregunte a sus estudiantes: - odemos comprobar que la energía se conserva? - ómo podemos hacerlo? aso 2 Vea el video onservación de la energía junto a sus estudiantes. En él se puede evidenciar el traspaso de energía desde un cuerpo a otro y por lo tanto se puede visualizar que la energía se mantiene constante en el sistema y no se pierde. Destaque los siguientes momentos: - El físico pregunta e indica qué ocurre si lanzamos una pequeña pelota al suelo. - El físico indica de qué se trata el video. - El físico deja caer el sistema con tres pelotas al suelo. - Qué ocurre con la pelota más pequeña. - Qué ocurre con la pelota más grande. - El físico indica qué es la energía potencial gravitacional. - El físico explica porque ocurre lo que se observa en el video. Vean el video más de una vez, si es que es necesario. aso 3 Luego de que hayan visto este video, pídale a sus estudiantes que contesten las preguntas asociadas a este video, cuyas respuestas se encuentran a continuación. Las preguntas asociadas al video, pretenden apoyar la observación y descripción del fenómeno que observar. Si necesitan más bibliografía, pueden obtenerla en el portal educarchile, otros medios en Internet o bien en una biblioteca. uede hacer las preguntas de descripción a viva voz, progresando hacia una discusión más reflexiva que de una explicación acerca de por qué la pelota pequeña alcanza mayor altura una vez que rebota. 1. Describe el sistema que construye el físico. ómo estaban dispuestas las tres pelotas en la bombilla? Si puedes elabora un dibujo de él. El sistema tiene tres pelotas atravesadas por un tornillo que a su vez, está envuelto en una bombilla. Las pelotas estén en contacto sin estar unidas ni amarradas. El sistema tiene dos pelotas de igual tamaño y una más pequeña que las anteriores. En la base, se encuentran las dos pelotas y más arriba la pelota más pequeña. 9

10 2. Qué ocurre con las diferentes pelotas una vez que el físico deja caer el sistema? El físico deja caer el sistema con las tres pelotas desde una distancia aproximadamente igual a la mitad de su altura, (aproximadamente desde su cintura). Las tres pelotas caen y rebotan contra el piso. Una vez que rebotan, la pelota más pequeña, que se encuentra en el borde superior del sistema, es impulsada hasta alcanzar una altura superior desde la que fue lanzada. Las pelotas más grandes, que se encontraban en la base del sistema, no rebotan del mismo modo que lo hace la pelota más pequeña, sino que recorren una pequeña distancia. 3. Qué ocurre con la pelota de menor tamaño en relación a la energía con que fue impulsada y la altura alcanzada? Luego de rebotar, la pelota de menor tamaño, es impulsada con mayor energía, hasta alcanzar una altura superior desde la que fue lanzada. 4. Qué ocurre con el resto de las pelotas (pelotas de mayor tamaño) al rebotar? El resto de las pelotas o pelotas de mayor tamaño, también rebotan pero no del mismo modo que la pelota pequeña. Rebota hasta alcanzar una pequeña altura. 5. Qué ocurriría si dejamos caer sólo una pelota y no las tres como sucede en este video? Si dejamos caer una pelota y no tres, probablemente la pelota rebote del mismo modo, pero la altura alcanzada en este rebote será menor que la altura desde la que fue lanzada. 6. Antes de ser lanzadas al suelo, las pelotas tienen energía? Las pelotas tienen energía. Antes de que se dejen caer se encuentran a una distancia aproximadamente igual a la mitad de la altura desde la que fueron lanzadas. or lo tanto, las pelotas tienen energía potencial ( E = mgh). La energía mecánica de estas pelotas estará dada sólo por la energía potencial de ellas, debido a que antes de ser lanzadas se encuentran en reposo haciendo que la energía cinética será igual a E = mv ientras las pelotas van cayendo, tienen energía? uando las pelotas empiezan a caer empiezan a perder energía potencial porque comienzan a perder altura. Esto no significa que tengan menos energía mecánica, sino que la energía potencial se transforma en cinética debido a que comienzan a adquirir velocidad. Entonces, mientras la energía potencial disminuye a razón de la pérdida de altura, la energía cinética aumenta a razón de la aceleración de gravedad. Todo esto hace que la energía mecánica de las pelotas se mantenga constante. 10

11 8. Una vez que las pelotas rebotan en el suelo, qué ocurre con la energía de ellas? ada pelota transporta una energía en particular que depende de la masa de cada una de ellas. El sistema completo tendrá una energía mecánica que será la suma de todas las energías mecánicas de cada pelota. uando rebotan en el suelo, las pelotas más grandes (las que se encuentran en la base del sistema), transfieren la energía a la pelota siguiente y, por lo tanto, la pelota pequeña recibe la energía de las anteriores pelotas. Esto permite que sea impulsada hasta alcanzar una altura superior. Es decir, la energía transmitida a la pelota pequeña se utiliza para recorrer más distancia o altura. En otras palabras: la energía fue transformada en trabajo. 9. Si el sistema de las pelotas tuviera en el principio una mucho más grande que las dos primeras pelotas Qué ocurriría? La energía sería transmitida de la misma forma anterior. Que la pelota sea pequeña implica que su masa es pequeña, por lo tanto, la energía que se transmite se utiliza en elevar una pequeña masa de pelota. El trabajo utilizado en impulsar una masa pequeña es menor, por lo tanto, será elevada a mayor altura. Si se utilizara una pelota más grande, la energía transmitida a esta pelota se transformaría en trabajo, pero el trabajo utilizado en impulsarla sería mayor, por lo tanto, la pelota alcanzaría menos altura. uede ocurrir que ubiquemos una pelota tan grande que la energía transmitida no alcance para hacerla rebotar y elevar. aso 4 ara concluir esta actividad, vuelva a enunciar la pregunta con que formuló al inició: - Es posible comprobar el principio de conservación de la energía mecánica? or último, pídales que imaginen otra forma de comprobar este principio. otívelos explicándoles que sólo necesitan diseñar un experimento que permita comprobar que la energía pasó desde un cuerpo a otro, o bien diseñar un experimento en que puedas obtener las energías potencial y cinética en distintos momentos de una determinada trayectoria. Los estudiantes pueden diseñar pruebas fáciles para comprobar que la energía se transforma en otros tipos de energía. or ejemplo: pueden dejar caer un objeto cualquiera de masa conocida desde una altura también conocida. Si conocen la altura y la masa, pueden obtener fácilmente la energía potencial gravitacional del objeto. Si el objeto va cayendo en caída libre, pueden obtener la velocidad (según la aceleración de gravedad), y con ello obtener en cualquier punto, la energía cinética. on ambas energías podrán obtener la energía mecánica del cuerpo, y comprobar que mientras va cayendo, la energía mecánica se mantiene constante. 11

12 ara finalizar, puede recomendar a sus estudiantes que vean las presentaciones digitales disponibles acerca de este tema y realicen el juego Quién sabe más. 12