Los recursos del profesor de física Teach article

Traducido por José Luis García Herrero. El profesor de física Keith Gibbs comparte algunas de sus muchas demostraciones y experimentos para la clase de física.

Imagen cortesía de Floortje /
iStockphoto

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

Imagen cortesía de Keith Gibbs

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)!

 

Nota de seguridad

Utiliza gafas de protección. Aunque es poco probable, es posible que el matraz se haga añicos, así que conviene usar una pantalla de protección entre los experimentos y líos alumnos. Si es posible, sitúate tú también tras la pantalla.

Consulta también la nota general sobre seguridad.

 

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.

Temperatura

Presión de vapor saturado

Tabla 1: Relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura
37 °C 0.06 x 105 Pa
60 °C 0.19 x 105 Pa
75 °C 0.38 x 105 Pa
85 °C 0.57 x 105 Pa
100 °C 105 Pa

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.

Imagen cortesía de Keith Gibbs

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.
Los usuarios de las
atracciones de feria deberían
estar agradecidos a la fuerza
centrípeta

Imagen cortesía de
inabeanpod; fuente Flickr

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.

Impresión artística de un
electroimán gigante, como
los usados en la separación
de metales a nivel industria.l

Imagen cortesía de
ZargonDesign / iStockphoto

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.

Imagen cortesía de Keith Gibbs
Imagen cortesía de Keith Gibbs

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.
Imagen simulada por
ordenador del cielo nocturno,
mostrando el efecto de un
agujero negro con una masa
de 10 soles, y visto a una
distancia de 600 km. La
teoría de la relatividad
general de Einstein permite
calcular algunos detalles de
la estructura del agujero
negro. Se cree que los
agujeros negros son
distorsiones del espacio-
tiempo, con volumen nulo y
densidad infinita.

Imagen cortesía de Ute Kraus;
fuente: Wikimedia Commons

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.

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Web References

  • w1 – Para consultar más material educativa gratuito recolectado por Keith Gibbs o para adquirir CD-ROMs, visita: www.schoolphysics.co.uk

Author(s)

Tras graduarse en física en la University College London (Reino Unido), Keith Gibbs obtuvo su certificado en Educación (PGCE) en la Universidad de Cambridge (Reino Unido). Después trabajó como profesor de física en cuatro escuelas distintas del Reino Unido durante 36 años, hasta su jubilación en 2002.

Las ideas expuestas en este artículo son reflejo de las más de 700 ideas y experimentos que Keith Gibbs ha recogido a lo largo de los años, disponibles en CD-ROM (precio actual de £10). Estas ideas y experimentos, así como explicaciones adecuadas para alumnos de 11 a 19 años, animaciones, programaciones, imágenes y muchos más materiales, están disponibles en otro CD-ROM que, una vez adquirido (precio actual de £35), se puede copiar dentro de la escuela y hacerlo disponible a través de la Intranet escolar. Consulta el sitio de Schoolphysicsw1.

Keith ha escrito y ha contribuido en la elaboración de diversos libros de texto. Últimamente ha trabajado con la editorial Pearson Education para realizar animaciones para cursos avanzados de física, y proyectos prácticos para estudiantes de física más jóvenes.

Keith también realiza muchos viajes para mostrar su colección de experimentos, Si estás interesado en una visita, puedes contactar con él a través del sitio de Schoolphysicsw1.


Review

Los cuatro experimentos descritos en este artículo son innovadores y utilizan materiales que se pueden encontrar con facilidad en los laboratorios de las escuelas. Los objetivos, materiales, procedimientos y diagramas de cada experimento están pensados para facilitar la comprensión de los procesos y teorías relacionadas para profesores y alumnos. También es interesante leer las experiencias del autor y los resultados que obtuvo de estos experimentos.

Los profesores pueden utilizar estos experimentos en un amplio abanico de temas de física y adaptarlos para diferentes grupos de edades, dependiendo de cuánta teoría decida explicar el profesor. Se pueden llevar a cabo como experimentos introductorios a la teoría, o mientras se explica ésta, para consolidar los conceptos con hechos. Se pueden abrir debates con los estudiantes durante la fase de investigación de los experimentos para intentar que propongan predicciones y expliquen los resultados.

Las actividades se pueden llevar a cabo con estudiantes de diferentes edades, dependiendo del enfoque. La actividad del agua en ebullición puede estar enfocada a alumnos de 13-15 años para hablar sobre el punto de ebullición del agua; para estudiantes de 16-19 años, se puede usar en un tema sobre las leyes de los gases. Los experimentos de la percha se pueden usar con alumnos de 16-18 años para presentar el concepto de movimiento circular, la fuerza y la aceleración centrípetas. En el caso de alumnos de 10-13 años, la actividad del separador electromagnético se puede usar en general en temas de ciencia o para hablar sobre materiales magnéticos; para estudiantes de más de 14 años, se puede usar en temas de magnetismo. Por último, el experimento de la jarra en caída se podría usar con estudiantes de más de 16 años para explicar el movimiento armónico simple, la gravedad y la inercia.

Esta clase de demostraciones es ideal para que los estudiantes aprendan de manera visual y entiendan y recuerden la teoría mejor cuando la vean aplicada en la práctica.


Catherine Cutajar, Malta




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