Científico por unos días.

Publicado por Elisa

PRESENTACIÓN______________________________________________________________________

Se trata de realizar un experimento de física en el laboratorio, incluyendo todos los pasos que una investigación científica requiere. El tema de la ciencia experimental no se suele tratar en la secundaria, ya sea por falta de tiempo o por falta de base por parte de los alumnos. La metodología científica es compleja y requiere conocimientos de medida y tratamiento de datos, así como una base teórica de lo que se está observando. Por ello, esta actividad se plantea para realizarla en varias sesiones, de forma que los alumnos tengan tiempo para asimilar los conceptos y la metodología de trabajo. Al final será una experiencia más anecdótica que académica, pero tendrá un carácter de motivación hacia una ciencia más cercana.

OBJETIVOS______________________________________________________________________

Uno de los objetivos de la actividad es que los alumnos vean y apliquen el método científico: que se enfrenten a un problema, lleguen a un resultado y sean capaces de interpretarlo y ver si se ajusta a la teoría y por qué (o por qué no). Además de ser la manera real en la que se hace ciencia, como ya expliqué en una de mis entradas anteriores, a mi entender es un buen método para aplicar en la vida real. Por otro lado, mediante el experimento los alumnos podrán ver de forma práctica que lo que se estudia en clase tiene razón de ser. Y al realizarlo ellos mismos se verán obligados a entender los conceptos teóricos y el problema a resolver mucho mejor. Por último, mediante esta actividad los chavales tendrán que esforzarse en desarrollar una serie de habilidades que no se utilizan en el estudio diario, como pueden ser el trabajo en equipo o la expresión oral.

NIVEL______________________________________________________________________

Estaría enfocada para alumnos de Bachillerato o 4º de la ESO por motivos de tiempo y conocimientos previos. Sería complicado compaginarlo en los primeros cursos de la ESO ya que las horas lectivas de ciencias son muy reducidas. Además, se necesita que los alumnos tengan una cierta madurez a la hora de trabajar de forma un poco más independiente y ordenada.

DESARROLLO______________________________________________________________________

Como ya hemos mencionado, la actividad se propone para realizarla en varios días. Esta experiencia podría ajustarse a cualquier experimento que se quiera realizar, pero para poner un ejemplo sencillo y muy visual, propondremos medir la aceleración de la gravedad mediante diferentes experimentos. Las razones que me han llevado a decantarme por este experimento en concreto son variadas: por un lado, su importancia histórica. La fuerza gravitatoria es la primera fuerza fundamental que se descubrió y la única que sigue escapándose de nuestros intentos de unificación del universo. Además es una fuerza fácil de entender y muy sencilla de medir en el laboratorio, de forma que no necesitaremos montajes complejos para realizar las medidas. Por último, la aceleración de la gravedad es una constante que los alumnos se aprenden de memoria desde pequeños, por lo que les resultará curioso comprobar por ellos mismos que, efectivamente, g=9,8 m/s^2.

A continuación proponemos un plan de trabajo:

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Sesión 1 – Clase introductoria: Se dividirá a los alumnos en cuatro grupos, que será el número de experimentos diferentes que se realizarán. Idealmente cada grupo debería estar formado por 3 o 4 personas. Si hay muchos más integrantes será necesario un control mayor por parte del profesor para evitar que haya muchos alumnos sin hacer nada en las sesiones prácticas. En esta primera sesión se explicarán en clase los cuatro problemas que servirán de base para los experimentos. En nuestro caso serán:

El experimento del plano inclinado: Se dejan caer pelotas de diferentes masas por una rampa y se mide el tiempo que tardan en recorrer la longitud de la rampa. Los alumnos deberán pesar las bolas y medir la altura de la rampa. Conocida la velocidad se puede obtener la aceleración, y mediante conservación de energía puede hallarse g. También puede plantearse por conservación de fuerzas en el plano inclinado, utilizando el ángulo de separación del plano inclinado con respecto al suelo. Para hacerlo más sencillo se puede despreciar el rozamiento de la bola con el plano inclinado.
El experimento del péndulo: se basa en medir el periodo de oscilación del péndulo para obtener la aceleración de la gravedad, debido a sus propiedades de oscilación armónica para ángulos de oscilación pequeños.
El experimento de la caída: sería el método más directo, y se basa en dejar caer objetos de masa conocida desde una distancia concreta y medir el tiempo que tardan en caer.
La máquina de Atwood: esta máquina es una polea con dos masas conocidas y diferentes colgando a cada lado de la polea. La experiencia se basa en medir la velocidad con la que una de las masas cae (midiendo el tiempo y la distancia desde su posición inicial hasta el suelo), y conocida la velocidad se puede hallar la aceleración. Usando las leye de Newton y diferentes masas podremos obtener g.

La información para preparar estos experimentos la encontraremos en cualquier libro de física básica (al final del post he añadido una sección de bibliografía con ejemplos de estos experimentos). Esta es una buena oportunidad para repasar en clase las ecuaciones de la cinemática de diferentes sistemas. Es una buena idea también el idear unas fichas con la información relevante para cada grupo, con dibujos explicativos y con las fórmulas importantes, así como con el planteamiento del problema. De esta forma, los alumnos tendrán la información necesaria para resolver el problema por grupos.

Una vez explicados los problemas y repasado las fichas de teoría, habrá que describir los experimentos. Esta parte es importante, de forma que el día de laboratorio no haya que perder demasiado tiempo con explicaciones. Sería buena idea elaborar una segunda ficha para cada grupo con una descripción detallada del dispositivo experimental y de su funcionamiento, y una tercera con las tablas necesarias para introducir las medidas que se realicen en la sesión práctica. No hay que olvidar que seguramente sea la primera vez que se enfrenten a un experimento práctico, por lo que hay que guiarlos para que no se pierdan y aprovechen bien el tiempo. Se propone, no obstante, no dar esta última ficha todavía, sino en la siguiente sesión.

Después de explicar la teoría y la práctica, se mandará como deberes a cada grupo traer para la siguiente sesión el problema resuelto. Se puede mandar de forma individual o colectiva.

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Sesión 2 – Corrección de los problemas: Se corregirán los cuatro problemas en clase de forma detallada. Una vez que los alumnos tengan claro cómo se resuelve el problema de forma teórica, se repartirán las hojas con las tablas de medida y se explicará la toma de datos para cada caso. Se hará incapié en cómo realizar las medidas, que básicamente será medir tiempos y distancias, y en los pasos a seguir. No creo necesario que haya que tener en cuenta los errores a la hora de medir, ya que requiere un tratamiento de datos más complejo, pero podría mencionarse.

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Sesión 3 – Medidas en el laboratorio: Esta será la sesión práctica. Cada grupo se situará en su dispositivo experimental, previamente montados por el profesor, y procederán a la toma de datos según se explicó en la sesión anterior y según la ficha de laboratorio. Se puede proceder de muchas maneras, pero se propone que dentro del grupo se distribuyan por parejas y realicen una serie de datos cada una de las parejas: por ejemplo, un miembro de la pareja tira el objeto y el otro cronometra el tiempo, mientras los demás observan y apuntan el dato. Podría incluso haber dos alumnos midiendo el tiempo y luego hacer la media del tiempo, ya que es un concepto sencillo y tendría ocupados a más alumnos en caso de que los grupos sean grandes. Sería una buena idea también que hubiera una segunda copia de la ficha de medidas que los alumnos tuvieran que entregar al profesor antes de salir del laboratorio, que serviría tanto como seguimiento del trabajo del grupo en el laboratorio como también una forma de evaluación.

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Sesión 4 – Tratamiento de datos en los ordeandores: Esta sesión se realizaría en el áula de informática. Como programa para trabajar con los datos se recomienda Excel, ya que es un programa sencillo y la interfaz de Microsoft Office es se sobras conocida por los alumnos. Ya que el tratamiento de datos es muy similar para todos los grupos (se basa en hacer medias y ajustes a rectas) se procederá con una explicación general que los alumnos pueden seguir. Para aprovechar mejor el tiempo, se aconseja ir paso a paso y que los alumnos vayan trabajando al mismo tiempo que se va explicando. Al final de la sesión, los alumnos deberían tener ya el resultado final de sus experimentos: el valor de la constante de aceleración de la gravedad.

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Sesión 5 – Presentación de los resultados: Por último es necesario que los alumnos reflexionen sobre lo que han aprendido. Para ello se propone que cada grupo diseñe un póster científico con el desarrollo de su experimento. En él debería aparecer el objetivo de la práctica, los fundamentos teóricos del problema, la resolución teórica y la aplicación a la práctica, así como los resultados obtenidos y algunas conclusiones. Por supuesto, la información del póster tiene que aparecer de forma resumida y gráfica, incluyendo dibujos o fotografías del montaje experimental y gráficas con los datos medidos.

Para abordar este último aspecto de la actividad se propone, primero, aprovechar los primeros 20 minutos de una clase normal para explicar cómo tiene que ser el póster y la información esencial que tiene que contener. Se fijaría una fecha de entrega, y para dicha fecha los alumnos podrían prepararse una exposición oral para contar al resto de la clase cómo ha sido su experimento. Los posters podrían quedarse colgados en la clase. Podría ser interesante, incluso, proponer a los chavales contar su experiencia al resto del curso, o añadirlo al programa de alguna semana cultural que organice el instituto.

Otra opción alternativa al póster podría ser la realización de un trabajo que recogiera la experiencia de una forma más extensa, y que podría ser individual o colectivo.

EVALUACIÓN______________________________________________________________________

Se propone una evaluación basada, por un lado, en el problema resuelto entregado en la segunda sesión, y por otro, en el trabajo y el interés general por la actividad, así como en la calidad del póster y de la presentación oral. Podría ser interesante que la nota obtenida en este trabajo se reflejara en incremento en la nota de la evaluación. Se podría proponer también que la materia vista en el experimento se eliminara del exámen.

BIBLIOGRAFÍA______________________________________________________________________

Libros:

Como ya he mencionado, la teoría de los cuatro experimentos se encuentra fácilmente en cualquier libro de física básica. Un ejemplo sería «Física para la ciencia y la tecnología», de Tipler-Mosca.

Páginas web:

Página dónde encontrar varios de estos experimentos, que contiene el informe y la presentación del experimento, así como ejemplos de pósters:

http://users.exa.unicen.edu.ar/catedras/fisexp1/material.php

– Experimento del plano inclinado:

http://users.exa.unicen.edu.ar/catedras/fisexp1/files/2011%201%20Lopez-Martinez-Viglezzi-Plano%20Inclinado-Inf.pdf

http://iescerrodelviento.com/attachments/319_planos%20inclinados.pdf

http://almadeherrero.blogspot.com.es/2009/03/experimento-de-galileo-sobre-el.html

http://www.phy6.org/stargaze/Mfall.htm

– Experimento del péndulo:

http://airy.ual.es/geodesy/II3.pdf

http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/02_Pendulo_simple.pdf

http://dfists.ua.es/experiencias_de_fisica/index03.html