Metodología experimental Propósito Que los estudiantes refuercen y complementen los siguientes aprendizajes de la primera unidad del programa de Física I: El alumno: Describe diferentes sistemas y fenómenos físicos e identificará las magnitudes físicas que permiten una mejor descripción y estudio. Conoce elementos de la metodología experimental que utiliza la física para explicar fenómenos. Para lograr el propósito de esta estrategia les proponemos la realización de la siguiente secuencia de actividades. La realización completa de ella, les permitirá al final mejorar la obtención de los aprendizajes indicados en el programa de estudios de la materia. Primera actividad Con la ayuda del profesor hagan una lista de 5 sistemas y 5 fenómenos físicos que encuentren a su alrededor. Una vez hecha la lista, escriban una breve descripción de ellos, haciendo énfasis en las magnitudes físicas que están involucradas en ellos. A partir de este ejercicio, escriban una definición propia de un sistema y un fenómeno físicos. Segunda actividad Realicen el siguiente montaje experimental, mediante el cual, observarán el comportamiento de un fenómeno físico, y comprenderán mejor en qué consiste un sistema. Además, podrán identificar los pasos de una metodología experimental, que les será útil en siguientes actividades prácticas. Enfriamiento Introducción Seguramente, han observado muchas veces el enfriamiento de un líquido. ¿Cuál es la forma en la que la temperatura desciende cuando se deja enfriar una muestra de agua, leche u otra substancia similar? ¿Qué variables intervienen en el enfriamiento de un líquido? ¿Cómo obtengo un modelo matemático que describa tal situación? Para responder a estas y otras preguntas, sigan los pasos que se indican a continuación. Material que van a necesitar Un Un Un Un vaso de unicel para café termómetro soporte universal mechero de Bunsen (pueden usar en su lugar una parrilla eléctrica) Elaboraron: Mauricio Bravo C. y Juan Javier de San José Ramírez. Seminario de Profesores de Física del Siladín Naucalpan. Septiembre 2008. Un vaso de precipitados de 500 ml o 1 litro Opcionalmente, pueden utilizar un sistema de recolección de datos por computadora y un sensor de temperatura Procedimiento Armen el material tal como lo muestra la figura. Figura 1.1 Montaje experimental para el estudio del comportamiento de variables en un experimento. Después de calentar el agua en el vaso de precipitados se vierte en el vaso de unicel y se mide la temperatura a intervalos regulares. Enciendan el mechero o la parrilla y dejen que el agua se caliente hasta aproximadamente 45ºC Retiren el agua del fuego y viértanla en el vaso de café. Anoten la temperatura que marca el termómetro. Ahora deben medir la temperatura del agua cada cierto tiempo, se recomienda que la lean cada 30 segundos, es latoso pero conveniente; realicen una tabla de la manera siguiente. Tiempo (s) 0 30 60 Temperatura (°C) T0 Elaboraron: Mauricio Bravo C. y Juan Javier de San José Ramírez. Seminario de Profesores de Física del Siladín Naucalpan. Septiembre 2008. En la tabla, T0 es la temperatura más alta al momento de iniciar el experimento; deben de prolongar la tabla hasta que lleguen a la temperatura ambiente, que vamos a simbolizar como Ta, una vez que tengan la tabla, es necesario hacer algunos cambios y cálculos: a cada una de las temperaturas que tomaron, le van a restar el valor de la temperatura ambiente, entonces tendrán una nueva tabla como la siguiente. Tiempo (s) 0 30 60 Temperatura (°C) T0 T – Ta T0 – Ta Ahora realicen una gráfica en cuyo eje horizontal se anota, con la escala adecuada, el tiempo y en el eje vertical tendrán T – Ta, como se muestra en la siguiente figura. El trabajo pueden hacerlo en una hoja de cálculo, por ejemplo en Excel y tendrán la gráfica automáticamente, más aún, una vez que hayan hecho la gráfica, existe una opción en que pueden pedir al programa Agregar línea de tendencia. Elaboren entre todos una hipótesis en la planteen qué tipo de gráfica obtuvieron. Para comprobar su suposición, hagan el ajuste de la curva, obtengan la ecuación correspondiente y R2. Si el valor de R2 es mayor a 0.99, pueden considerar su hipótesis como válida. Análisis Contesten las siguientes preguntas: 1. ¿Qué tipo de gráfica obtuvieron? Elaboraron: Mauricio Bravo C. y Juan Javier de San José Ramírez. Seminario de Profesores de Física del Siladín Naucalpan. Septiembre 2008. 2. ¿Cuáles fueron las magnitudes que eligieron como variables independiente y dependiente? ¿Por qué? 3. ¿Cómo se relaciona la ecuación que resulta de ajustar la curva con un modelo matemático que explicaría el comportamiento del agua? 4. Lleven a cabo una investigación en la red sobre la ley de enfriamiento de Newton, y discutan si les es útil para explicar el comportamiento observado de la temperatura. 5. Expliquen en términos de su respuesta a la pregunta anterior, el significado físico de los valores numéricos involucrados en la ecuación obtenida al ajustar la gráfica. 6. ¿De cuáles de los siguientes factores creen que dependa el tiempo en que se enfría dicha sustancia? ¿La cantidad de sustancia? ¿La sustancia que se trate? ¿El recipiente donde esté la sustancia? ¿La forma del recipiente? ¿La temperatura inicial? ¿La temperatura ambiente? Enuncien los factores que consideren son importantes para el enfriamiento de la sustancia. Aquellos que pueden elegir y que mantienen sin cambio, constantes durante el proceso, se consideran los parámetros en su experimento y deben anotarlos ya que generalmente sirven en el análisis de sus resultados. Investiguen en qué áreas de la industria y la Ciencia se manejan procesos de enfriamiento. Escriban sus conclusiones de esta actividad Tercera actividad Investiguen en la bibliografía que se propone al final, en qué consiste un sistema físico y qué es un fenómeno físico. Comparen las respuestas que obtengan con las definiciones que escribieron en la primera actividad y escriban una conclusión al respecto. Investiguen en qué consiste el método de trabajo que desarrolló Galileo y realicen un breve ensayo en el que cotejen lo realizado durante esta estrategia con los resultados de su investigación. Bibliografía Cetto, A. M., et al. El mundo de la Física, Trillas, México, 1997. Gamow, G. Biografía de la Física, Alianza Editorial, Madrid, 1980. Hecht, E. Fundamentos de Física, Thomson Learning, México, 2001. Hewitt, P. Física conceptual, Pearson, México, 1999. Jones, E y Childers, R., Física contemporánea, Mc Graw-Hill, México, 2001. Zitzewitz, P. W., Neff, R. y Davis, M. Física 1. Principios y problemas, Mc Graw Hill. México, 2002. Elaboraron: Mauricio Bravo C. y Juan Javier de San José Ramírez. Seminario de Profesores de Física del Siladín Naucalpan. Septiembre 2008.