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Historia F+Q

Enseñando física y química a través de su historia. Un blog colaborativo de los alumnos del Master de Secundaria

Categoría

Física-2ºBachillerato

¿Cómo se orientan los murciélagos?

¿Quién no se ha preguntado cómo un mamífero volador ciego puede moverse sin chocar con los árboles?

El fundamento físico que responde a esa pregunta es el efecto Doppler. C. A. Doppler (1803-1853) fue un científico austriaco que destacó por descubrir un efecto ondulatorio fundamental para la tecnología de los siglos venideros. Seguir leyendo “¿Cómo se orientan los murciélagos?”

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Agujeros Negros

Introducción a la actividad.

Uno de los fenómenos físicos más misteriosos que produce la Teoría de la Relatividad son los agujeros negros. Un agujero negro es una región del espacio, en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente grande como para generar un campo gravitatorio, tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, pueda escapar de él. Seguir leyendo “Agujeros Negros”

El experimento físico más hermoso de la historia de la física: la doble rendija

“En 2003 la revista Physics World preguntó a sus lectores cuál era en su opinión el experimento más bello de la historia de la física. Ganó el célebre experimento de la doble rendija. (…) En el mundo cuántico –el de las partículas subatómicas como los electrones– las ‘cosas’ actúan de una forma muy distinta a como sucede en la escala macroscópica, en la que nos movemos los seres humanos. El experimento de la doble rendija pone de manifiesto dos características desconcertantes de ese mundo.”

La versión completa del texto (link) en el que se expone el considerado experimento más hermoso de la historia de la física y su explicación. Con la ayuda del vídeo (link) el alumno debe realizar una serie de actividades.

Seguir leyendo “El experimento físico más hermoso de la historia de la física: la doble rendija”

El descubrimiento del infrarrojo

La curiosidad y el afán por desvelar nuevos misterios es el motor de la ciencia. Plantear una hipótesis, realizar un experimento para comprobarla y aprender de los resultados, el corazón del método científico. Siguiendo este pensamiento, fue como el protagonista de nuestra historia de hoy, realizó un importante descubrimiento, el infrarrojo.

Sir Frederick William Herschel (1738-1822) nació en Hannover, Alemania, y fue conocido como músico y como astrónomo. En 1757 emigró a Inglaterra, donde se dedicó a construir telescopios para examinar el cielo nocturno (Caltech, s.f.). Una curiosidad de su relación con nuestro país es que Herschel construyó uno de sus mejores y mayores telescopios para el Real Observatorio Astronómico de Madrid, que sería considerado por el propio Herschel como el mejor telescopio de cuantos construyó (Instituto Geográfico Nacional, s.f.). De su trabajo como astrónomo publicó varios catálogos de estrellas dobles y nebulosas, siendo su principal descubrimiento el del planeta Urano en 1781, el primer planeta nuevo descubierto desde la antigüedad (Caltech, s.f.).

Sin embargo, hoy nos interesa otro gran descubrimiento que también lleva su nombre, el infrarrojo.

Actividad 1: el infrarrojo

  1. ¿Qué es el infrarrojo?
  2. Explica la diferencia que hay entre los diferentes colores del arco iris, y cómo se relaciona el infrarrojo con ellos. Utiliza una gráfica para mostrar esas diferencias.
  3. ¿Conoces otros ejemplos similares al infrarrojo? Añádelos a tu gráfica.

Criterios evaluación:

  • Conocer el infrarrojo
  • Representar información de forma gráfica
  • Ser capaz de adquirir conocimiento de forma independiente

Centrémonos ahora en cómo Sir William halló el infrarrojo. Herschel había observado como objetos expuestos al sol durante el mismo tiempo, tenían temperaturas diferentes. Sir William pensaba que este fenómeno se debía a que el calor que transmitía la luz cambiaba según el color. Para comprobarlo, ideó un experimento en el cual medía cuanto calor provenía de cada color. Herschel hizo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio para generar el arco iris, el cual se forma cuando la luz se divide en los colores que la componen y situó termómetros con bulbos ennegrecidos para absorber mejor el calor en cada color, y otro fuera del espectro como muestra de control. Veamos en este vídeo los resultados que obtuvo.

Descubrimiento del infrarrojo (Cosmos 2014, citado en atresmedia.com)

Actividad 2: el método científico

  1. Identifica cada paso del método científico en la práctica de Sir William.
    1. Observación:
    2. Hipótesis:
    3. Experimentación:
    4. Resultados:
    5. Tesis o teoría científica:
  2. ¿Por qué es necesario poner un termómetro de control? ¿Cual era el resultado que esperaba encontrar Sir William?
  3. Reflexiona sobre el azar en la ciencia. ¿Conoces otros ejemplos de descubrimientos no buscados?

Criterios evaluación:

  • Identificar los pasos del método científico
  • Comprender cómo situar una referencia válida para experimentar
  • Reflexionar sobre la casuística de los descubrimientos científicos

Actividad 3 (extra): el método científico

Pon en práctica el método científico. Para ello coge una observación de tu entorno, y aplica los pasos como hizo Sir William. ¡Usa tu imaginación! No hace falta que sea un efecto físico-químico, pues este método es universal (por ejemplo, puedes poner una situación que se de en tu deporte favorito).

  1. Observación:
  2. Hipótesis:
  3. Experimentación:
  4. Resultados:
  5. Tesis o teoría científica:

Criterios evaluación:

  • Ser capaz de poner en práctica el método científico con objetos de su entorno
  • Tener una actitud proactiva a ir más allá en las actividades extras propuestas

Actividad 4 (extra): ¡ahora hazlo tú!: sigue los pasos que encontrarás en esta web (Caltech, s.f.)  para realizar tú mismo el experimento de Sir William. No hace falta que compres el prisma y los termómetros, puedes pedirlos prestados al laboratorio.

Criterios evaluación:

  • Realizar prácticas de forma independiente siguiendo instrucciones
  • Tener una actitud proactiva a ir más allá en las actividades extras propuestas

Referencias:

California Institute of Technology (s.f.). Sir Frederick William Herschel. Publicado en http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol//edu/herschel/herschel_bio.shtml

California Institute of Technology (s.f.). Experimento de Herschel en la banda infrarroja. Publicado en http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol//edu/herschel/backyard.shtml

Hanich, L. y Holtzman, S. (Productores) y Braga, B., Pope, B. y Druyan, A. (Directores). (2014). Cosmos: una odisea en el espacio-tiempo [Documental]. Estados Unidos: Fox. Recuperado de http://mega.atresmedia.com/programas/cosmos/descubrimiento-luz-infrarroja_201510195735d64f4beb2895a65cd862.html

Instituto Geográfico Nacional (s.f.). Real Observatorio de Madrid. Recuperado el 23 de abril de 2017 de http://contenido.ign.es/rom/visitas/folleto_ROM.pdf

Real Decreto 1105/2014, de 26 de diciembre por el que se establece el currículo básico de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato. Boletín Oficial del Estado, 3, de 3 de enero de 2015.

La ley de Snell

El descubrimiento de la ley de los senos se atribuye […] a Willebrord van Roijen Snell, o Snellius […] físico holandés del siglo XVII. Snell estudió derecho […] pero sus intereses se concentraban especialmente en las matemáticas. […] sacó muchas conclusiones interesantes sobre la medición de la Tierra; […] También se ocupó del cálculo del “número pi” (π) mediante polígonos y del estudio de la luz. En lo que respecta a la refracción, su investigación continuó desde donde se había estancado cuatro siglos antes con Ibn al-Haytam […] y sus discípulos medievales […]

Estos estudiosos habían observado que los rayos de luz cambiaban de dirección cuando entraban en contacto con una superficie más densa. Snell descubrió la ley exacta en 1621, pero se conocieron sus resultados sólo en 1703, año en el que Huygens los publicó […]

Mientras tanto Descartes publicó su “Discurso del método” en 1637, incluyendo en él la ley de los senos a la que había llegado Snell. Explicó la refracción con las partículas de la luz que se movían en el cuerpo refractante con una velocidad mayor con respecto a su velocidad en el aire. … Hoy en día, de todas formas, en los países francófonos la ley de los senos lleva el nombre de Descartes, mientras que en los países anglófonos y España se conoce como la ley de Snell. Texto sacado y simplificado de aquí.

Actividad.

1. Los alumnos leen el texto y discuten en brevedad y en grupos reducidos el texto. Posteriormente se proporcionará a cada grupo el siguiente material:

  • láser
  • transportador de ángulos
  • vaso
  • agua
  • aceite
  • dos planchas de metacrilato de forma rectangular
  • espejo

2. A continuación se les pide que hagan los siguientes experimentos, con la ayuda del profesor:

– Incidir el láser con diferentes ángulos sobre:

  • el vaso lleno de agua y luego el vaso lleno de aceite y agua.
  • una plancha de metacrilato y luego las dos planchas puestas de forma plana una sobre la otra de manera que ocupen el toda su superficie.
  • el espejo.
  • el transportador de ángulos.

3. Los grupos deberán responder y discutir qué y porqué creen que le pasa al rayo de luz del láser en cada una de las situaciones.

4. El profesor les explica la ley de senos y los alumnos vuelven a repetir los experimentos.

5. Los alumnos por escrito explican qué está pasando en cada uno de los experimentos relacionándolo con la ley de senos proporcionada y explican como creen que realizaron los experimentos cada uno de los autores que trabajó este tema.

Objetivos

  • Relacionar la expresión matemática con los experimentos llevados a cabo
  • Entender el método científico basado en la experimentación.
  • Manifestar el trabajo en equipo, la actitud crítica y el consenso.

En la evaluación se tendrá en cuenta:

  • La implicación de los alumnos en la realización y el debate de los experimentos.
  • Los trabajos escritos.
  • La capacidad de los alumnos para relacionar el conocimiento matemático con los experimentos.
  • Si han entendido los conceptos de refracción, reflexión, material transparente y opaco.

¿De dónde viene ese calor?

  1. LEY DE JOULE

¿Por qué el secador de pelo expulsa aire caliente? ¿Qué está ocurriendo ahí dentro? Cambiemos de ejemplo. Pensemos en una plancha. Está enchufada a la red, sometida a un campo eléctrico. ¿Qué ocurre para que el acero emita calor y así quitemos las arrugas a la ropa diariamente? ¿Y las crujientes tostadas mañaneras? ¿Qué ocurre para que esos filamentos conductores de corriente eléctrica emitan calor, y así el pan pierda humedad y le dé esa característica textura de tostada?

Resultado de imagen de EFECTO JOULE

Una pregunta similar se planteó el físico inglés Joule allá por 1840, cuando observó que su motor eléctrico se calentaba. Él estaba convencido de que la potencia se transformaba en calor debido al paso de la corriente eléctrica.

Mediante una serie de experimentos que lleva a cabo, Joule confirma sus sospechas. Cuando se establece un campo eléctrico en un conductor, los electrones incrementan su energía cinética y chocan entre sí. El conductor tiene una resistencia al flujo de electrones. Así, la energía cinética se convierte en térmica, es decir calor. Con esto, enuncia la ley que lleva su nombre, la ley de Joule.

El calor es proporcional a la potencia que disipa el conductor y al tiempo, durante el cual se aplica el campo eléctrico:

 Q=P·t

Recordando la ley de Ohm, V=I·R y P=I·V

Q= I2·R·t proporcionaría el resultado en J (Joules/Julios)

Q=0,24· I2·R·t proporcionaría el resultado en cal (calorías)

Ten en cuenta las unidades para que las cuentas nos salgan perfectas:

I – intensidad de corriente eléctrica (A), R – resistencia (Ω), t – tiempo (s), P – potencia (W), V – voltaje o campo eléctrico (V), Q – Calor (J)

Por último, para convertir de J a cal o viceversa, tengamos en cuenta lo siguiente:

1J=0,24cal

1cal=4,18J

 

  1. ACTIVIDADES

Actividad de práctica 1: Por una plancha eléctrica de 30Ω de resistencia, circula una corriente de 4A al estar conectado a una diferencia de potencial de 120V. ¿Qué cantidad de calor, en J y en cal, produce en 5 minutos?

Actividad de práctica 2: ¿Qué cantidad de calor, en J y en cal, desprenderá una bombilla de 800Ω por la que circula una intensidad de corriente de 0,27A durante 3 minutos?

 

  1. OBJETIVOS
  • Comprender la conversión de energía eléctrica en calor.
  • Entender el principio de funcionamiento de algunos aparatos eléctricos de la vida diaria.
  • Valorar la importancia que tiene la energía eléctrica.
  1. CRITERIOS DE EVALUACIÓN
  • Es capaz de identificar conceptos y diferenciar parámetros de corriente eléctrica y calor.
  • Hace un uso correcto de las unidades de medida.

 

  1. BIBLIOGRAFÍA

Tipler, P. y Mosca, G. (2008) Corriente eléctrica y circuitos de corriente continua. En Reverté (6ª Ed.)Física para ciencia y la tecnología. Volumen 2. Electricidad y magnetismo/luz (pp.844-850)

Wikipedia. The free encyclopedia (s.f). Joule Effect. Recuperado el 23 de abril de 2017 de https://en.wikipedia.org/wiki/Joule_effect

Ainhoa Cordobés

Del modelo de Thompson al modelo de Rutherford.

En 1911 se realizó en Manchester una experiencia encaminada a corroborar el modelo atómico de Thomson. Fue llevada a cabo por Geiger, Marsden y Rutherford, y consistía en bombardear con partículas alfa (núcleos del gas helio) una fina lámina de metal. El resultado esperado era que las partículas alfa atravesasen la fina lámina sin apenas desviarse. Para observar el lugar de choque de la partícula colocaron, detrás y a los lados de la lámina metálica, una pantalla fosforescente. En 1911 se realizó en Manchester una experiencia encaminada a corroborar el modelo atómico de Thomson. Fue llevada a cabo por Geiger, Marsden y Rutherford, y consistía en bombardear con partículas alfa (núcleos del gas helio) una fina lámina de metal. El resultado esperado era que las partículas alfa atravesasen la fina lámina sin apenas desviarse. Para observar el lugar de choque de la partícula colocaron, detrás y a los lados de la lámina metálica, una pantalla fosforescente.

En el texto anterior se explica uno de los experimentos que cambio la manera en como los científicos entendían la estructura de la materia, realiza la siguiente actividad para entender el modelo atómico de Rutherford y la manera en como la ciencia genera modelos científicos.

  1. En el momento histórico en que se realizó el experimento de Rutherford, el modelo atómico aceptado era el de Thompson. Teniendo en cuenta que según este modelo, el átomo tiene una carga positiva uniforme distribuida por todo su volumen, y unas pequeñas cargas negativas puntuales llamadas electrones, ¿cuál sería el resultado esperado por Rutherford y sus ayudantes? Explícalo ayudándote de un dibujo.

En el siguiente enlace podrás acceder a una simulación donde realizaras el experimento de Rutherford tal y como se realizó en 1911.

http://www.kcvs.ca/site/projects/physics_files/rutherford/historical_scattering2.html

Antes de usar la simulación responde las siguientes preguntas.

  1. ¿Según el modelo de Thompson en que ángulos esperarías encontrar el mayor número de impactos?
  2. ¿Según este mismo modelo en que ángulos no deberías encontrar ningún impacto?

Realiza el experimento de Rutherford midiendo los impactos en los siguientes ángulos durante 200 segundos.

Ángulos Número de impactos
45º
90º
135º
  1. ¿Los datos obtenidos eran los esperados por Rutherford y sus ayudantes?
  2. ¿Antes los datos del experimento de Rutherford, podemos decir que el modelo de Thompson es completamente erróneo?
  3. ¿podrías crear un nuevo modelo que integrara los descubrimientos previos al experimento y que explicara el resultado del mismo?
  4. Busca y explica brevemente cuales fueron los problemas del modelo atómico de Rutherford
  5. El modelo atómico actualmente aceptado por la comunidad científica es el modelo cuántico, busca información de este modelo y explica si crees que es el modelo definitivo de estructura atómica. Justifica tu respuesta.

Texto original (http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/atomo/rutherford.htm)

Evaluación:

Se valorará la capacidad de síntesis de alumno así como la capacidad de dar respuestas sencillas a los problemas planteados.

También se valorará la capacidad de entender la naturaleza cambiante de la ciencia y su necesidad de adaptarse a los nuevos datos.

Viaje al centro de la Tierra

¿Quién no se ha preguntado alguna vez qué tenemos bajo nuestros pies? Hasta algunos como Julio Verne fantasearon en viajar al centro de la Tierra, imaginando su interior.

Pues bien, actualmente aún no se sabe exactamente cómo es ese interior. Muchos tal vez propongáis hacer una agujero muy profundo hasta llegar al centro, pues bien, la máxima profundidad alcanzada hasta la actualidad son 3.5 km, un 0.05% del radio terrestre.

¿Y por qué el ser humano con toda la tecnología actual no es capaz de llegar más lejos? El gran aumento de Presión y Temperatura lo hace imposible, ya que la temperatura aumenta en promedio 1ºC por cada 30m.

Entonces, ¿Cómo es que sabemos que la Tierra está dividida en Corteza, Manto y Núcleo? Gracias a las ondas y sus características. Las ondas sísmicas cambian en función del material en el que se propagan, no son  y se observan diferencias en las mismas en función de la distancia al foco del terremoto. A través del registro de estas ondas en varios puntos del Planeta se ha podido definir las capas de la Tierra.

Es el caso por ejemplo del descubrimiento del núcleo externo por parte de Inge Lehmann en 1936, una de las muchas grandes mujeres destacadas en ciencias. Esta científica analizó datos de las ondas provenientes de un gran número de terremotos, y se dio cuenta de que alunas de ellas sólo se detectaban hasta una distancia angular de 104 grados, comenzando a aparecer de nuevo una distancia a 140 grados, creando una “zona de sombra”. Según Inge Lehmann, esto solo puede explicarse mediante la presencia de un núcleo semi-líquido, donde las ondas estudiadas no se propagan. De esta forma,  Inge Lehmann rompió con la teoría de que el interior de la Tierra era hueco.

Los avances tecnológicos del siglo XX han permitido continuar con el trabajo delos pioneros como Inge Lehmann o Andrija Mohorovicic, hasta conocer el interior de la Tierra con la precisión en que hoy la conocemos. Aún nos queda mucho por descubrir, de momento a través de las ondas mientras no seamos capaces de realizar un viaje al centro de la Tierra.

Actividades

¿Qué temperatura habría en el centro de la Tierra si existiera un aumento constante?

¿Qué parámetros caracterizan las ondas?

¿Qué aparato se utiliza para registrar las ondas sísmicas?

¿Qué es la zona de sobra? ¿A qué es debida?

Investiga, ¿Qué propiedad de las ondas ayudo a descubrir la diferencia Corteza-Manto? Realiza un trabajo de una cara sobre este descubrimiento

Objetivos

Reforzar en el conocimiento de las Ondas y sus propiedades

Mostrar al alumno un campo de aplicación de las ondas, en el que son indispensables.

Incitar al alumno a la búsqueda de más información, e investigación.

Evaluación

Se valorará la participación e interés en la actividad, así como la resolución de las preguntas propuestas.

Referencias

http://www.cienciorama.unam.mx/a/pdf/91_cienciorama.pdf

http://mujeresconciencia.com/2017/01/17/viaje-al-centro-de-la-tierra-con-inge-lehmann/

http://www.rutageologica.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=384&Itemid=87&limitstart=2

Levitación acústica

La levitación acústica es el fenómeno por el cual se pueden levitar objetos mediante el sonido. Para poder levitar un objeto necesitamos que el sonido ejerza una fuerza sobre el objeto que pueda vencer la fuerza de la gravedad y que al mismo tiempo las partículas queden confinadas en un punto concreto. Las fuerzas generadas por las ondas sonoras suelen ser débiles por eso necesitamos ondas sonoras de alta intensidad para crear efectos no lineares. Para poder crear un campo acústico donde las partículas queden suspendidas necesitamos crear ondas estacionarias.

Las ondas estacionarias son las ondas sonoras que se forman por la interferencia de dos ondas de las mismas propiedades (amplitud, frecuencia, etc.) que viajan en sentido opuesto.

El sonido se propaga a través del aire desplazando las partículas durante el paso de la onda sonora. Se forman zonas de máximos y mínimos de presión (antinodos/vientres) y puntos inmóviles (nodos). Cuando estas partículas quedan confinadas en un nodo se produce la levitación acústica.(Figura en word adjunto)

Si vemos un ejemplo de una configuración típica para levitar objetos con sonido, tendríamos un generador de ultrasonidos que crea ondas sonoras y un reflector donde se reflejan las ondas sonoras incidentes. El generador de ultrasonidos crea un sonido de una determinada frecuencia. Si la distancia entre generador y reflector es un múltiple de la mitad de la longitud de onda del sonido emitido, la onda sonora emitida y la reflejada crearan interferencia produciendo una onda estacionaria. Se utilizan ultra sonidos, sonidos de frecuencias muy elevadas y niveles de presión sonora muy elevados (150dB) que crean efectos no lineares de este modo el nivel de presión sonora de los antinodos superiores e inferiores es suficiente elevado  para mantener la partícula en una posición dada. (Figura en word adjunto)

Para que un objeto quede levitando mediante esta técnica debe tener una tamaño de entre un tercio y un medio de la longitud de onda del sonido incidente. Si el tamaño del objeto es superior a la mitad de la longitud de onda el objeto no puede levitar.

 Referencias:

ACTIVIDAD

Lee el texto y responde a las siguientes preguntas.Para responder alguna de ellas deberás hacer uso de internet indicando de qué página web has extraído la información.

  1. Observa la imagen inferior. La distancia entre partículas de polvo es de 1cm. ¿Cuál es la frecuencia de la onda estacionaria que hace que la partícula de polvo quede suspendida? (Figura en word adjunto)
  2. Tenemos una onda estacionaria de longitud de onda de 0,010m. ¿Podrá una partícula de polvo de 3mm quedarse suspendida? Y una de 9mm?
  3. Si el transductor emite una onda sonora de 22000Hz, ¿Cuál es la distancia a la que debemos colocar el reflector para que se produzca una onda estacionaria.
  4. ¿Por qué actualmente podemos suspender una partícula de pim pom y no una canica?
  5. Busca cuales son aplicaciones de la levitación acústica.
  6. Debate con los compañeros en qué ámbito y como puede mejorar nuestra vida cuotidiana la levitación acústica.

Datos: velocidad del sonido v= 343m/s.

OBJETIVOS DE LA ACTIVIDAD

  • Profundizar en la teoría de ondas, en concreto las ondas estacionarias.
  • Ver posibles aplicaciones de los conceptos físicos en nuestra vida cuotidiana.
  • Reflexionar sobre los avances de la ciencia en nuestra sociedad.
  • Utilizar motores de búsqueda de información y saber contrastar la información encontrada.

EVALUACIÓN

  • Correcta resolución de la actividad planteada.
  • Correcta utilización de las fuentes de información.
  • Participación activa en el debate.

 

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