Los recursos del profesor de física

En más de 30 años de impartir física, me he encontrado con muchas demostraciones e ideas pedagógicas interesantes, a menudo sugeridas por mis familiares, amigos, compañeros y antiguos alumnos. En 2000, empecé a reunir estas ideas, que formaron la base del sitio Web Schoolphysics y del CD-ROM de la colección. Con el paso del tiempo, añadí más explicaciones para profesores cuya especialidad no es la física.

A continuación se muestran cuatro ideas de la colección. Espero que al menos una de ellas os parezca nueva, desafiante, informativa y divertida, y que las ideas tiendan a hacer la asignatura más popular y a que la gente se dé cuenta de que puede ser interesante y divertida.

Cocer agua a presión reducida

Edades: 13-15

Este sencillo experimento demuestra que la presión de vapor de agua saturada depende de la temperatura. Es preferible llevarla a cabo como demostración del profesor, con una pantalla de protección entre el montaje y los alumnos.

Materiales

• Un matraz de fondo circular
• Un tapón con dos agujeros
• Un tubo de cristal en cuyo diámetro externo encaje el tapón
• Un tubo de goma en cuyo diámetro encaje el tubo de cristal
• Un termómetro que encaje en el agujero del tapón
• Un mechero Bunsen
• Un soporte de pie con abrazadera
• Una pantalla de protección
• Una bandeja
• Agua

Procedimiento

1. Ajusta el tubo de goma al final del tubo de cristal.
2. Introduce el termómetro y el tubo de cristal en los agujeros del tapón, llena algo menos de la mitad del matraz con agua fría. Sella el matraz con el tapón.
3. FAjusta la abrazadera al tubo de goma pero no la cierres.
4. Usa el mechero Bunsen para llevar el agua a ebullición.
5. Cierra la abrazadera y apaga el mechero Bunsen.
6. Da la vuelta al matraz y rocíalo con agua fría.

El vapor se condensará en el matraz, reduciendo la presión y permitiendo que el agua empiece a hervir de nuevo. Cuando el agua deje de hervir, echa más agua fría sobre el matraz. ¿Hasta que temperatura se puede bajar y seguir observando el agua en ebullición? Deberías poder conseguir que el agua hierva a 40 ºC. ¡Yo de conseguido en una ocasión que el agua hirviera a la temperatura corporal (37 ºC)!

Teoría

La explicación consiste en que la presión de vapor saturado del agua depende de la temperatura: a menor temperatura, menos cantidad de vapor de agua se puede contener (ver Tabla 1). Cuando el agua se condensa, disminuye la presión en el matraz, lo que permite, lógicamente, que el agua hierva a menos de 100ºC.

Un método alternativo

Un método más sencillo es llenar parcialmente (alrededor del 20%) una jeringuilla con agua caliente a unos 50-60ºC. Al tirar del émbolo de la jeringuilla y reducir la presión, conseguirás que el agua hierva muy por debajo de los 100ºC.

La percha de metal y el movimiento circular

Edades: 14-18

Se trata de una sencilla demostración de la fuerza centrípeta.

Materiales

• Una percha metálica
• Una lima de metal
• Una moneda pequeña

Procedimiento

1. Dobla la percha metálica hasta que tenga forma cuadrada.
2. Lima la punta del gancho hasta que quede plana y dobla el gancho hasta que apunte hacia la esquina opuesta del cuadrado (ver figura).
3. Coloca una moneda pequeña sobre el gancho (un penique británico o una moneda de 5 o 10 céntimos de euro).
4. Pon un dedo en la esquina del cuadrado frente al gancho y da vueltas a http://www.scienceinschool.org/node/2294#overlay=node/2294/editla percha en círculos verticales. La moneda debería seguir en su sitio.

Teoría

La fuerza que ejerce el gancho sobre la moneda genera la fuerza centrípeta, que siempre actúa hacia el centro de rotación.

¿Cuántas monedas puedes colocar sobre la percha? Mi récord es cinco monedas de un penique. Con una sola moneda de un penique y mucho cuidado, una vez conseguí incluso parar el movimiento de la percha sin que se cayera la moneda.

Separador electromagnético

Edades: 16-18

Se trata de una simulación a pequeña escala del tipo de separador electromagnético que se usa a nivel industrial para separar metales no ferrosos de otras clases de deshechos no metálicos, y es adecuada como demostración del profesor.

Materiales

• Un electroimán con forma de U con núcleo de hierro para generar una alta intensidad de campo.
• Una fuente de alimentación AC (corriente alterna)
• Limaduras de aluminio por ejemplo, papel albal)
• Un trozo de cartulina fina
• Unos trocitos de papel

Procedimiento

1. Coloca la cartulina sobre uno de los brazos del electroimán y sitúa unas cuantas limaduras de aluminio y papel sobre la cartulina.
2. Conecta el electroimán a la fuente de alimentación y aplica la corriente. Las limaduras de aluminio serán repelidas del campo magnético.

Teoría

El electroimán de corriente alterna induce corrientes circulares en las limaduras de aluminio. Estas corrientes convierten las limaduras en pequeños electroimanes que son repelidos por el electroimán grande y por eso salen despedidas de la cartulina. Con los trocitos de papel no ocurre porque no se inducen corrientes, y por eso siguen en depositados en la cartulina.

En la versión de cinta transportadora de este experimento, la mezcla de partículas metálicas y no metálicas pasa a lo largo de una cinta sobre la cual se sitúa un electroimán de corriente alterna, que induce corrientes circulares en los deshechos metálicos, siendo repelidos por el campo magnético y proyectados fuera de la cinta, quedando en ella los deshechos no metálicos. Los centros educativos pueden construir una versión de demostración usando mezclas de aluminio y papel.

Un bloque flotante en una jarra en caída

Edades: 11-18, dependiendo del enfoque de la teoría.

Es una demostración muy útil de una de las ideas de la relatividad, y basta usar un bloque de madera flotando en una jarra de agua suspendida de un muelle.

Materiales

• Un muelle helicoidal atado con una cuerda a una jarra de plástico
• Un bloque de madera cargado con arcilla para modelar (por ejemplo, plastilina).
• Agua

Procedimiento

1. Llena la mitad de la jarra de agua, coloca el bloque de madera y cuelga el dispositivo del muelle.
2. Sujeta la jarra y luego déjala caer suspendida del muelle. La jarra y su contenido oscilarán en un plano vertical (arriba y abajo), pero el nivel de agua seguirá en la misma posición en la jarra, y el bloque de madera flotará en el mismo nivel al subir y bajar.

Teoría

La profundidad a la que flota el bloque de madera depende tanto de su peso (no de su masa) como del empuje que sufre, el cual depende del peso del agua desplazada por el bloque. Por tanto, cuando la aceleración de la jarra y del bloque cambia, el peso del bloque y el empuje que éste sufre cambian de manera proporcional entre sí. El resultado es que la profundidad a la que flota el bloque de madera no cambia durante las oscilaciones.

Los objetos que sufren una aceleración se comportan del mismo modo que bajo el efecto de la gravedad. Cuando la jarra y su contenido oscilan, sufren una aceleración debida al campo gravitatorio terrestre y el movimiento armónico simple de la oscilación.

Cuando la jarra se mueve hacia arriba, su aceleración total es mayor que la de la gravedad terrestre, y al caer, su aceleración total es menor que la de la gravedad. En la parte inferior del movimiento, es como si la jarra estuviera en la Luna, donde el campo gravitatorio es menor que en la Tierra.

Se trata de unas demostración muy útil de la equivalencia entre campos gravitatorios e inerciales.

Agradecimientos

Los editores de Science in School quieren agradecer a Catherine Cutajar y Gerd Vogt su ayuda en la selección de los experimentos incluidos en este artículo.