UNIVERSIDAD DE LOS LLANOS CURSO DE CIENCIAS NATURALES GRUPO CERTEZAS Y DUDAS MODELO PEDAGÓGICO CENTRADO EN EL APRENDIZAJE CON COMPRENSIÓN: DEL SABER INFORMATIVO AL COMPRENDER APLICATIVO CIENCIAS NATURALES Módulo de navegación como principio regulador y organizador del conocimiento en profundidad INVESTIGADORES: ALFONSO MORALES ROMERO MANUEL HOZAN MORA GELBER H. JARAMILLO H AUXILIARES DE INVESTIGACIÓN: JOHAN DE JESUS MOSQUERA HERNÁNDEZ LAURA VELASQUEZ FABIAN IÑIGUEZ 1. Origen del universo. Origen y composición de la Materia 1.1. La Historia del Universo (Teoría del Big Bang y expansión continua) 1.2. Átomo 1.3. Materia 1.4. Sistema solar 1.5. Planeta tierra 1.1. La Historia del Universo (Teoria del Big Bang y expansión continua) La ciencia actual cree y afirma que el Universo en el que estamos nació mediante una gran «explosión inicial» (Big Bang) hace unos 13.700-15.000 millones de años (1,37·1010 años) cuando aún no había estrellas ni galaxias, cuando el Universo empezaba a hacerse material, suceso que ocurrió a una distancia de la tierra de unos 1,37.1026 m, no obstante el universo desde su origen hasta el presente ha crecido de forma continua. En su evolución se formaron primero las partículas subatómicas, los núcleos atómicos y después se empezaron a formar los primeros grupos de materia. Por evolución se forman estrellas y galaxias, y desde el Big Bang hasta la época el universo no ha dejado de expandirse. Hasta el momento existen dos hipótesis fundamentales que han permito construir el modelo estándar de la historia del universo. La primera es la hipótesis de la gran explosión o Big Bang y la segunda es la hipótesis de la expansión continua y generalizada del universo implícito en la Ley de Hubble. La velocidad de expansión es directamente proporcional a la distancia: V=H.D. El modelo de expansión indefinida sostiene que las fuerzas expansivas, impresas desde el Big Bang, superan las fuerzas de atracción gravitatorias, que no son capaces de frenar la expansión. Implica un Universo progresivamente menos denso de energía y cada vez más frío. El Universo observable no es más que el 10% de toda la materia del Universo, Junto con la materia visible u ordinaria que es minoritaria, también existe en el Universo, en grandes proporciones, un 90 % de materia oscura y energía oscura, que no es visible, pero que se manifiesta o pone en evidencia indirectamente. La materia oscura se evidencia por sus efectos gravitacionales sobre las galaxias y la energía oscura por actuar como fuerza repulsiva en contra de la gravedad, contribuyendo a acelerar la expansión del Universo, a que se alejen de nosotros los cúmulos de galaxias. La cronología del Big Bang describe los eventos que han ocurrido y ocurrirán de acuerdo con la teoría estándar para explicar el origen del universo tal como se conoce hoy en día. A continuación explicaremos su evolución desde el inicio hasta el final y de esta manera podremos comprender el origen y la composición de la materia ordinaria teniendo en cuenta la cronología espaciotemporal en relación con la temperatura. Evolución del universo ¿cómo se originó el Universo? La era Planck: 0 segundos 10–43 segundos En cosmología, la época de Planck es el universo más temprano, el período de tiempo en la historia entre cero y 10−43 segundos, nada existía, solo una pequeña bola de fuego incandescente a elevadas temperaturas (un tiempo de Planck o instante cero), cuando el big bang exploto al transcurrir 10−43 segundos se crearon las cuatro fuerzas fundamentales (interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria) que están unificadas y no existen partículas elementales. En esta época se separa la fuerza gravitacional. La Época de la Gran Unificación: 10–33 segundos A esta época se la llama de Gran Unificación porque tres de las cuatro grandes fuerzas-electromagnetismo, la interacción fuerte y la interacción débil se comportaban como una, la interacción electrofuerte. La gravedad sin embargo se separó de ellas tres al final de la época de Planck. Inflación cósmica: Durante la inflación, el Universo es alisado y entra en una fase de expansión rápida. Parte de la energía de los fotones se convierten en quarks virtuales e hiperiones, pero estas partículas decaen rápidamente. Un escenario sugiere que antes de la Inflación Cósmica, el Universo era frío y vacío, y el inmenso calor y energía asociada con los primeros estados del Big Bang se crearían en el cambio de fase asociado con el fin de la inflación. En esta época la participación de la fuerza gravitacional que se encontraba separada de las demás fuerzas permitió la formación de las primeras partículas subatómicas una gran familia de Quarks y Leptones se formarían en lo que sería el futuro de la materia y el universo. Desaparición de la antimateria 10–10 segundos Esta época está marcada por la desaparición de partículas y antipartículas inestables que al momento de su creación desaparecen inmediatamente. La época del Hadrón 10–5 segundos El plasma quark-gluon del que está compuesto el Universo se enfría hasta formar hadrones, incluyendo bariones como los protones y los neutrones. La época del Hadrón ocurre, cuando interviene la fuerza nuclear fuerte mediada por el gluon que une los quarks dentro del núcleo es responsable de la formación de los Hadrones una familia de partículas subatómicas conformada por bariones y mesones. Los primeros agrupan a los protones y neutrones mientras que los mesones por ser inestables desaparecen con el tiempo. Nucleosíntesis 100 s - 3 minutos En este momento, el Universo se ha enfriado lo suficiente como para que se empiecen a formar los núcleos atómicos. Los protones (iones de hidrógeno) y neutrones se empiezan a combinar en núcleos atómicos y la responsable de esta interacción es la fuerza nuclear débil mediada por el bosson que permite la unión entre los protones y neutrones formando el núcleo atómico. Al final de la nucleosíntesis, unos tres minutos después del Big Bang el Universo se había enfriado hasta el punto que la fusión nuclear paró. En este momento, hay unas tres veces más iones de hidrógeno que núcleos de 4He y solo escasas cantidades de otros núcleos. Formación de estrellas y Galaxias 1000.000 de años Las primeras estrellas, muchas estrellas parecidas a las de la Población III, se formaron y empezaron el proceso de unir los elementos que se formaron en el Big Bang (hidrógeno, helio y litio) en elementos más pesados. Los grandes volúmenes de materia colapsan para formar una galaxia. Las estrellas de la Población II se formaron pronto en este proceso y las estrellas de la Población I se formaron después. Formación de átomos 1000 Millones de años Mueren las estrellas y nacen los átomos de los elementos químicos. Somos polvo de estrellas. Los electrones son atraídos por los protones del núcleo atómico a través de la fuerza electromagnética esta interacción permite la formación del átomo. Hoy, 13.700-15.000 millones de años Las mejores estimaciones actuales de la edad del Universo dicen que hoy han pasado 13.700-15.000 millones de años desde el Big Bang. Como la expansión del Universo parece que se está acelerando, los supercúmulos son considerados como las estructuras más grandes que se habrán formado en el Universo. La presente expansión acelerada previene a cualquier estructura inflacionaria de entrar en el horizonte y previene la formación de nuevas estructuras gravitacionalmente unidas. 1.2. Átomo De que esta hecho el universo? Es una de las cuestiones que atormentaron a los primeros pensadores y que al día de hoy, tiene respuestas pero muchas preguntas. Los primeros en responder a esta pregunta fueron los filósofos griegos, que para contestar se basaron en la observación y el pensamiento, no contaban con las herramientas ni el paradigma de pensamiento para demostrar científicamente sus hipótesis. De esta forma, Tales de Mileto (en el siglo VII a. de C.) responde a la pregunta afirmando que es el elemento Agua el constituyente de todo el universo, ya que esta rodea a la tierra, se evapora y cae en forma de lluvia y la vida no puede ser sin el agua. Así procedieron Anaximenes, Heraclito y Empedocles (hacia la misma época) respondiendo que no era el agua, sino el aire (Anaximenes), el fuego (Heraclito) o el agua, el aire, el fuego y la Tierra (Empedocles) el o los constituyentes de todo el universo. Otra cuestión importante para la antigüedad fue la divisibilidad de la materia. Parece ser que Leucipo (450 a C.) ponen en tela de juicio la idea de que la materia puede seguir dividiéndose hasta el infinito; llegara el momento en el que la materia no pueda dividirse más. Pero fue Democrito, su discípulo, el que pensando de la misma manera llamo a estas partículas que no tienen división “Átomos” (sin división). Democrito planteo que los átomos de cada elemento eran diferentes en tamaño y forma, y que eran estas características de los atomos las que les conferían las propiedades a los elementos que podemos sentir. Debido a paradigmas de pensamiento que continuaron después de Demócrito la idea de los átomos como los constituyentes del universo volvió a ser valorada hasta el siglo XVII. Fue Jhon Dalton, en 1803, (basado en los trabajos de Proust sobre la proporcionalidad de los elementos implicados en una reacción química, la Ley de proporcionalidades definidas) quien demostró que las reacciones químicas se llevan a cabo en proporciones de números enteros sencillos. Tomemos el elementos X y Y de un compuesto, lo que Dalton demostró es que 1 parte de X se combina con 2 partes de Y o que 1 parte de X se combina con 4 partes de Y, nunca son ½ o 1/3 de elemento. Llevándolo a postular su teoría atómica: a. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas ÁTOMOS. b. Los átomos de un mismo elemento químico son todos iguales entre sí y diferentes a los átomos de los demás elementos. c. Los compuestos se forman al unirse los átomos de dos o más elementos en proporciones constantes y sencillas. d. En las reacciones químicas los átomos se intercambian; pero, ninguno de ellos desaparece ni se transforma. Seguido de este descubrimiento de Dalton, diferentes experimentos evidencian que la materia cuenta con propiedades eléctricas. Lo que se observaba es que la materia puede ganar o perder cargas eléctricas. Estas cargas deberían encontrarse al interior del átomo, lo que puso en cuestión la indivisibilidad del átomo. Fue J. J. Thomson el que demostró la existencia del electrón, partícula subatómica de carga negativa. Depuse, Eugen Goldstein descubrió el protón, con misma carga que el electrón pero positiva y una masa 1837 veces mayor que el del electrón. Después de esto el esfuerzo científico por dilucidar la naturaleza del átomo continúo. Así, se comprobó que la masa total del átomo no coincidía con la suma de la masa del electrón y el protón. Esto llevo a pensar en una partícula dentro del átomo, que daba la masa faltante al átomo. En 1932 J. Chadwick descubrió esta partícula, que al no contar con carga eléctrica se le denomino neutrón. 1.2.1. Modelos Atómicos. Cronológicamente, dependiendo de los descubrimientos que se iban sucediendo se postularon diferentes modelos atómicos. Los modelos atómicos son representaciones que describen las partes que tiene un átomo y la forma como se relacionan para generar ese todo llamado Átomo. 1.2.2. Modelo atómico de Thomson: este científico al descubrir el electrón postula su modelo que consiste en una esfera con carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones con carga negativa. En este modelo: la mayor masa del átomo corresponde a la carga positiva, la que ocupa la mayor parte del volumen atómico. 1.2.3. Modelo atómico de Rutherford: En este modelo el átomo tiene una zona central, llamada núcleo, donde se encuentra la mayor parte de su masa (dada por los protones y los neutrones) con una carga positiva. Además presenta una corteza, formada por los electrones que giran alrededor del núcleo. Así el átomo cuenta con un núcleo muy denso y pequeño y un espacio alrededor fundamentalmente vacío en el que se mueven los electrones. Este modelo puede pensarse como un sistema solar en miniatura, en el que el sol es el núcleo de neutrones y protones y los planetas son los electrones que giran en orbitas definidas. 1.2.4. Modelo atómico de Bohr: lo que caracteriza este modelo del modelo de Rutherford es que plantea determinados niveles de energía en los que se puede ubicar el electrón. En estos orbitales circulares definidos, el electrón no emite ni absorbe energía. Así los electrones se organizan en capas, donde cada capa tiene cierta energía, los electrones se disponen primero en las capas de menor energía para acceder a los de mayor energía. 1.3. Materia 1.3.1. Definición: La definición clásica sobre materia (“Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa”) tiene en cuenta dos conceptos importantes: espacio y masa. Como se sabe el Universo tiene una dimensión espacial, lo que quiere decir que hay un lugar donde se ubican los objetos (vivos o no vivos), a su vez es en este lugar-espacio es donde ocurren los eventos, generándose la idea de posición y dirección; la forma en la que se mide la ocupación del espacio por la materia es el volumen. En cuanto a la masa, se entiende por la cantidad de materia que tiene un objeto, por ejemplo la cantidad de materia que tiene un elefante es mayor a la cantidad de materia de un banano. De lo anterior se deduce que materia es “todo aquello que nos rodea”: arboles, animales, agua, aire, estrellas, planetas, virus, minerales, etc., que se puede percibir como el agua o no como los virus y las bacterias. 1.3.2. Estados de la materia: La materia se presenta en diferentes estados dependiendo de las condiciones de la naturaleza en las que se encuentre. Estado son las formas como se presenta la materia, que puede ser sólido, líquido, gaseoso o plasma. a. Solido: La materia se presenta con una masa, volumen y forma constante. Esto se debe a que las partículas que componen los objetos en estado sólido se encuentran cercanas y sus posiciones son fijas, con poco o ningún movimiento (las partículas en estado sólido solo pueden vibrar) (hielo, carbón, hierro) b. Liquido: es cuando la materia se presenta con una masa y volumen constante, pero con forma variable. El estado líquido presenta estas características porque sus partículas están cercanas pero cuentan con una amplia movilidad (no son fijas). c. Gaseoso: por su lado el estado gaseoso cuenta con una masa constante, pero el volumen y la forma son variables. En el estado gaseoso, las partículas se encuentran separadas y cuentan con amplia movilidad (no son fijas). Razón por la que los gases pueden ser comprimidos, disminuir su volumen. 1.3.3 Propiedades de la materia. La Materia cuenta con dos categorías de propiedades, las generales y las específicas. Las propiedades generales son aquellas en donde las características de la materia varían de acuerdo con la cantidad de materia. Estas son: peso, volumen y longitud. Las propiedades específicas por su parte, no varían con la cantidad de materia considerada. Por lo general resultan de la composición de propiedades generales. Punto de fusión, punto de ebullición, densidad, coeficiente de solubilidad, son algunas de estas propiedades. 1.4. Sistema solar ¡Curiosidades! Si piensas que nuestra Tierra es grande y enorme, imagina el tamaño de Júpiter que es 1400 veces más grande que el planeta Tierra siendo el planeta más grande del Sistema Solar. Pero aun así, su tamaño no se compara con el tamaño del Sol, ya que éste tiene una inmensidad diez veces mayor a la de Júpiter. ¿Qué cosas harías en un día que dure 243 días terrestres? En Venus, un día normal equivalen a 243 días nuestros, es decir, imagina la cantidad de horas que tienes para jugar, para hacer los deberes, para compartir con tus padres, para conocer amigos, etc. Los planetas del Sistema Solar Los planetas son cuerpos celestes con forma de semi-esferas que giran alrededor del Sol. Estos planetas, tomando en cuenta el orden en el que se encuentran, son: Mercurio es el planeta que está más cerca del Sol, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno es el que está más lejos del Sol. En el universo existen diversas variedades de cuerpos celestes, todos tienen características distintas. Eso provoca que el espacio y su diversidad de elementos sean siempre un misterio para la ciencia El Sistema Solar está conformado por muchos elementos, entre ellos encontramos: - La mayor de las estrellas denominada Sol Los asteroides Los cometas Los meteoritos El polvo y el gas interplanetario Los planetas y sus satélites A continuación se desarrollará el tema de los planetas y sus características más generales. Los planetas y sus movimientos Los planetas giran alrededor del Sol, tienen variados movimientos, pero dos de ellos son los más importantes. Estos movimientos son: Rotación: El movimiento de rotación significa que el planeta gira en su propio eje determinando la duración del día en cada planeta. No en todos los planetas el día dura 24 horas como en el planeta Tierra. Casos científicos han estimado la duración de un día en otros planetas haciendo la comparación con la Tierra, y han llegado a la siguiente conclusión: Planeta Comparación con la Tierra Venus 1 día = 243 días Mercurio 1 día = 179 días Marte 1 día = 24 horas aprox. Urano 1 día = 17 horas aprox. Neptuno Saturno Júpiter 1 día = 16 horas aprox. 1 día = 10 horas aprox. 1 día = 9 horas aprox. En Mercurio un día equivale a 179 días en la Tierra, mientras que en Venus un día significan 243 días en la Tierra, es decir, que Venus tiene el movimiento de rotación más lento de todos los planetas y que demora casi un año en girar completamente en su eje. Marte tiene una rotación similar a la del Planeta Tierra, de 24 horas aproximadamente. Júpiter, aparte de ser el planeta más grande, también es el que gira más rápido sobre su eje, ya que un día de Júpiter equivalen a 9 horas terrestres aproximadamente. Mientras que los días en Saturno, Neptuno y Urano duran 10.8, 16.1 y 17.9 horas respectivamente. Y el Sol… ¿Tiene movimiento de rotación? El Sol si tiene un movimiento de rotación, pero éste no determina la duración del día, ya que el Sol nunca oscurece, por lo tanto no existe la noche. embargo si gira sobre su eje y su giro dura 26 días, 19 horas y 12 minutos terrestres específicamente, es decir, 27 días aproximados. Sin El otro movimiento considerado relevante, es el movimiento de traslación. Traslación: consiste en el recorrido que hacen los planetas alrededor del Sol. También se le conoce como la órbita de cada planeta, el giro completo de la órbita alrededor del sol determina la duración del año en cada planeta. En este plano ocurre lo mismo que con el movimiento de rotación, ya que las órbitas son de diferentes distancias, es decir, tienen distintas duraciones dependiendo del planeta y su distancia con el Sol, mientras más lejos del Sol su movimiento de traslación es más lento y por lo tanto la duración del año será más larga. Los planetas y sus características Como ya sabemos, los planetas son 8 éstos con diversas características que los distinguen de los demás. Planeta Mercurio (interior) Característica principal Es el planeta más pequeño del Sistema Solar y es aquel que se ubica más cerca del Sol, por lo tanto sus temperaturas llegan a los 400°C lo que significa que puede derretir fácilmente un plomo. Superficie Rocosa, agrietada y tiene muchos cráteres similares a los de la Luna, debido a que hace millones de años sufrió múltiples impactos de meteoritos. Satélites más importantes No tiene satélites (interior) Venus tiene muchos volcanes, su Tiene un tamaño similar superficie está al planeta en que cubierta por roca vivimos y es el que está volcánica y tiene más cerca de nosotros. llanuras en la cual fluye gran cantidad de lava. Tierra Nuestro planeta es Tierra y tiene una característica única entre los demás planetas ya que tiene vida debido a los gases que posee que permiten la vida humana. Un gran porcentaje está cubierto por agua y el resto es rocoso. Mientras que en su atmósfera encontramos gases como Nitrógeno, Oxígeno, Dióxido de carbono y agua que es considerado un elemento de relevancia vital. Tiene 1 y muy conocido por los habitantes del planeta Tierra, se llama Luna y a diario la vemos cuando comienza a oscurecerse el día. Es conocido como el planeta Rojo Es rocosa, tiene llanuras y montañas. Fobos Venus (interior) Marte (interior) No tiene satélites Deimos Imagen Júpiter (exterior) Saturno (exterior) Urano (exterior) Neptuno (exterior) Es el más grande planeta ya que posee la mayor masa entre los planetas Considerado el planeta más hermoso debido a sus brillantes anillos, éstos son la principal característica de Saturno y además que es el segundo planeta más grande del sistema Su superficie no se determina con claridad aún debido a la abundancia de nubes que la cubren Io, Europa, Ganímedes, Calixto, Leda Los polos de Saturno Atlas son achatados, es Titán decir, su forma es ovalada. Sus anillos están formados por trozos de roca y de hielo. Es el tercer planeta más grande, pero el primero que se descubrió. Tiene anillos al igual que Júpiter, Saturno y Neptuno. Aún con un gran telescopio lo único que se ha podido ver de Urano ha sido su color verde azulado, pero nada de detalles superficiales. Es el más exterior de los planetas gaseosos Está compuesta por hielos y por algunas rocas Cordelia Titania Naiad Nereida Planetas exteriores e interiores Los planetas exteriores se caracterizan por ser principalmente gaseosos y líquidos. Son los planetas más grandes del Sistema Solar: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Recordemos que estos cuatro planetas son aquellos que tienen un movimiento de rotación más rápido que los del resto y tiene más satélites. Mientras que los planetas interiores son aquellos que poseen una superficie rocosa compacta, también llamados telúricos o terrestres. Son los cuatro planetas más cercanos al Sol, tienen un tamaño regularmente pequeño y poseen pocos o nada de satélites ¿Qué son los satélites? Son cuerpos menores, es decir, más pequeños que los planetas que se desplazan y se mueven alrededor de los mismos planetas. Hay planetas como Júpiter y Saturno que tienen una gran cantidad de satélites aun desconocidos por los astrónomos ya que se presume que son más de los que se han descubierto. Como hay planetas con muchos satélites, también hay otros que carecen de ellos, tal ejemplo recae sobre los planetas de Venus y Mercurio. ¿QUÉ SON LOS COMETAS? La palabra proviene del vocablo latín comēta y éste a su vez del vocablo griego κομήτης, cuyo significado es «cabellera», Los cometas son cuerpos celestes constituidos por hielo, polvo y rocas que orbitan alrededor del Sol siguiendo diferentes trayectorias. Los cometas están compuestos de agua, hielo seco, amoníaco, metano, hierro, magnesio, sodio y silicatos. Debido a las bajas temperaturas de los lugares donde se hallan, estas sustancias que componen al cometa se encuentran congeladas. Llegan a tener diámetros de algunas decenas de kilómetros. Tomado de: http://www.astrosurf.com/cometas-obs/II_Jornada/Fotometria/fotometria.htm ¿QUÉ SON LOS ASTEROIDES? Su nombre (ἀστεροειδής en griego significa «de figura de estrella»).Un asteroide es un cuerpo rocoso, carbonáceo o metálico más pequeño que un planeta y mayor que un meteoroide, que orbita alrededor del Sol en una órbita interior a la de Neptuno. Tomado de : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/imgcat/html/object_page/gal_p40449.html ¿QUÉS ES UN METEOROIDE? Un meteoroide es un cuerpo menor del Sistema Solar de, aproximadamente, entre 100 µm hasta 50 m (de diámetro máximo). El límite superior de tamaño, 50 m, se emplea para diferenciarlo de los cometas y de los asteroides. La mayoría de los meteoroides son fragmentos de cometas y asteroides, aunque también pueden ser rocas de satélites o planetas que han sido eyectadas en grandes impactos o simplemente restos de la formación de Sistema Solar. Cuando entra en la atmósfera de un planeta, el meteoroide se calienta y se vaporiza parcial o completamente. El gas que queda en la trayectoria seguida por el meteoroide se ioniza y brilla. El rastro de vapor brillante se llama técnicamente meteoro, aunque su nombre común es estrella fugaz. Tomado de: http://www.laprovincia.es/sociedad/2013/08/27/meteoroide-tamano-balon-futbol-ilumina/554004.html PLANETAS ENANOS Los planetas enanos son cuerpos cuya masa les permite tener forma esférica, pero no es la suficiente como para haber atraído o expulsado a todos los cuerpos a su alrededor. Estos son: Plutón (hasta 2006 era considerado el noveno planeta del Sistema Solar38 ), Ceres, Makemake, Eris y Haumea Bibliografía y Cibergrafia. http://www.bioygeo.info/pdf/05_La_materia.pdf http://www.astromia.com/solar/sistema.htm https://es.wikipedia.org/wiki/Cronolog%C3%ADa_del_Big_Bang http://www3.gobiernodecanarias.org/aciisi/cienciasmc/web/pdf/u2_el_origen_del_universo.pdf