FÍSICA I - Gob

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA

FÍSICA I

SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE PLANEACIÓN ACADÉMICA

COORDINACIÓN DEL SISTEMA DE ENSEÑANZA ABIERTA

SEPTIEMBRE DE 1992

CLAVE: 121 CRÉDITOS: 8 HORAS: 4

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P R E S E N T A C I Ó N

El programa de estudios de la asignatura F Í S I C A I tiene la finalidad de informar a los profesores sobre los aprendizajes que se espera

lograr en el estudiante, así como sobre la perspectiva teórico-metodológica y pedagógica desde la que deberán ser enseñados. El programa

se constituye así, en el instrumento de trabajo que le brinda al profesor elementos para planear, operar y evaluar el curso.

El programa contiene los siguientes sectores:

MARCO DE REFERENCIA Está integrado por: ubicación, intención y enfoque.

La ubicación proporciona información sobre el lugar que ocupa la asignatura al interior del plan de estudios y sobre sus relaciones horizontal

y vertical con otras asignaturas.

Las intenciones de materia y asignatura informan sobre el papel que desempeña cada una de ellas para el logro de los propósitos educa-

tivos del Colegio de Bachilleres.

El enfoque informa sobre la organización y el manejo de los contenidos para su enseñanza.

BASE DEL PROGRAMA Concreta las perspectivas educativas señaladas en el marco de referencia a través de los objetivos de unidad y los objetivos de operación

para temas y subtemas.

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Los objetivos de unidad expresan, de manera general, los conocimientos, habilidades, valores y actitudes que constituyen los aprendizajes

propuestos; los objetivos de operación para temas y subtemas precisan los límites de amplitud y profundidad con que los contenidos serán

abordados y orientan el proceso de interacción entre contenidos, profesor y estudiante, es decir, señalan los aprendizajes a obtener (el

“qué”), los conocimientos, habilidades o medios que se requerirán para lograrlos (el “cómo”) y la utilidad de tales aprendizajes en la formación

del estudiante (el “para qué”).

ELEMENTOS DE INSTRUMENTACIÓN Incluyen las estrategias didácticas, las sugerencias de evaluación, la bibliografía y la retícula.

Las estrategias didácticas derivadas del enfoque, son sugerencias de actividades que el profesor y los estudiantes pueden desarrollar du-

rante el curso para lograr los aprendizajes establecidos con los objetivos de operación.

Las sugerencias de evaluación son orientaciones respecto a la forma en que se puede planear y realizar la evaluación de sus modalidades

diagnóstica, formativa y sumativa.

La bibliografía se presenta por unidad y está constituida por textos, libros y publicaciones de divulgación científica que se requieren para

apoyar y/o complementar el aprendizaje de los distintos temas por parte del estudiante y para orientar al profesor en la planeación de sus ac-

tividades.

La retícula es un modelo gráfico que muestra las relaciones entre los objetivos y la trayectoria propuesta para su enseñanza.

Para la adecuada comprensión del programa se requiere una lectura integral que permita relacionar los sectores que lo constituyen. Se re-

comienda iniciar por la lectura analítica del apartado correspondiente al marco de referencia, debido a que en éste se encuentran los ele-

mentos teóricos y metodológicos desde los cuales se abordarán los contenidos propuestos en los objetivos de operación.

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U B I C A C I Ó N

Este programa corresponde a la asignatura de Física I que se imparte en el primer semestre y, junto con las asignaturas de Física II y Física

III, constituyen la materia de Física.

La materia de Física se ubica en el Área de Formación Básica, dado que presenta, junto con otras materias, tanto la metodología como los

elementos informativos fundamentales del conocimiento de la naturaleza. Así contribuye a la finalidad de esta Área que es lograr que el es-

tudiante desarrolle habilidades lógicas y metodológicas que le permitan la construcción, producción, apropiación y aplicación de los conoci-

mientos en problemas de su entorno físico y social.

La materia de Física forma parte del Campo de Conocimientos de Ciencias Naturales cuya finalidad es: que el estudiante comprenda los

principios que rigen el comportamiento de la materia-energía. Ello será propiciado al estudiar fenómenos de diferente nivel de complejidad a

través de los cuales el estudiante aplique los conocimientos y habilidades adquiridos en la comprensión del ambiente, en la solución de pro-

blemas de importancia para la comunidad y en el aprovechamiento de los recursos naturales, a la vez que se ejercite didácticamente el mé-

todo experimental. Se busca así que el estudiante mantenga el interés por las Ciencias Naturales, valore el desarrollo científico-tecnológico y

cuente con las bases para acceder a conocimientos más complejos o especializados.

El campo de conocimientos de Ciencias Naturales está constituido por las siguientes materias: Física, Química, Biología, Ciencias de la Tie-

rra1, Física Moderna (FIMO) y Seminario de Problemas de la Salud (SEPSA)2, que se relacionan como se ilustra en el Cuadro 1.

1 Esta materia se denomina, en el plan vigente, como Geografía. 2 Esta materia se denomina, en el plan vigente, como Ciencias de la Salud.

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CUADRO No. 1

1er. SEMESTRE 2º SEMESTRE 3er. SEMESTRE 4º SEMESTRE 5º SEMESTRE 6º SEMESTRE

DIAGRAMA No. 1 Relaciones directas: Una materia contiene conceptos antecedentes para otra. Se imparte en semestres consecutivos. Relaciones indirectas: Una materia complementa con otra la explicación de un fenómeno. Se imparte en los mismos semestres.

ÁREA DE FORMACIÓN BÁSICA

ÁREA DE FORMACIÓN ESPECÍFICA

FÍSICA I FÍSICA II FÍSICA III

BIOLOGÍA I BIOLOGÍA II ECOLOGÍA

CIENCIAS DE LA TIERRA

QUÍMICA I QUÍMICA II QUÍMICA III

FÍSICA MODERNA I

FÍSICA MODERNA II

SEPSA II SEPSA II SEPSA I

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La contribución de estas materias al logro de la finalidad del Campo de Conocimientos de Ciencias Naturales se da de la siguiente manera: Ciencias de la Tierra cumple una función integradora de los conocimientos alcanzados en las materias de Física y Química al proporcionar

elementos para explicar el origen, la estructura y la evolución del planeta Tierra, así como su interacción con los procesos biológicos que

ocurren en él.

Seminario de Problemas de la Salud complementa la formación del estudiante al proporcionar conocimientos básicos de educación para la

salud que le permitan realizar acciones preventivas y remediales, tanto en lo individual como en lo colectivo.

Biología contribuye a la comprensión del comportamiento de la materia viva como totalidad, a través de la explicitación de los principios unifi-

cadores de la Biología: Unidad, Diversidad, Continuidad e Interacción, que se establecen en los diferentes niveles de organización de la ma-

teria.

Física y Física Moderna contribuyen con el campo al proporcionar elementos para la comprensión de las leyes o principios que explican la

transformación y transmisión de la energía desde diferentes perspectivas relacionadas con los sistemas físicos.

En particular, con la materia de Física, el estudiante adquirirá los fundamentos para su formación científica y tendrá una visión del campo de

conocimiento de esta ciencia, en la cual se integra el manejo teórico y práctico para el aprendizaje de conceptos y la explicitación de fenó-

menos representativos de la mecánica, de la termodinámica, de la electricidad, de la óptica y de la acústica, en un recorrido por las diferen-

tes manifestaciones de la materia-energía.

Física I, en una relación vertical, mantiene estrecha relación con Matemáticas I, en razón de que la primera aborda problemas donde se

desarrolla el concepto de proporcionalidad, utilizado para la comprensión de modelos matemáticos más formales, expresados con ecuacio-

nes algebraicas. Así mismo, la representación de sistemas físicos por medio de dibujos a escala se retoma para generalizar sobre las carac-

terísticas y semejanzas de triángulos. El uso del lenguaje algebraico que los estudiantes desarrollan en matemáticas facilita a su vez el paso

del establecimiento de modelos de los fenómenos físicos a su interpretación.

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Taller de Lectura y Redacción I y Física I guardan una relación directa, ya que la primera se propone desarrollar en el estudiante habilidades

para la comprensión de la lectura de textos con carácter científico, así como para investigación documental y su redacción, con lo cual el es-

tudiante tendrá mejores elementos para enfrentar el estudio de la Física.

Con Química I la relación se establece a partir del manejo del concepto de masa, con base en el cual se establece la diferencia entre la ma-

sa y el peso, se proporcionan al alumno formas de medirla y se aborda el estudio de unidades de medición utilizadas en Física I.

En sentido horizontal, Física I proporciona al estudiante una introducción al estudio de los sistemas físicos como fundamento para abordar el

estudio de la mecánica, mismo que le permitirá comprender, en Física II, los sistemas termodinámicos y, en Física III, los sistemas eléctricos,

ópticos y acústicos.

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I N T E N C I Ó N

La materia de Física tiene como intención fomentar en el estudiante el gusto por la ciencia física y desarrollar en él las habilidades lógicas y

metodológicas como son: el manejo de algunos términos del lenguaje científico, la utilización del método experimental, la explicación de prin-

cipios, leyes y teorías, y la construcción de modelos explicativos que le permitan predecir e interpretar los fenómenos físicos comunes en el

medio ambiente.

La asignatura de Física I se plantea como intención que el estudiante establezca un primer acercamiento a los fenómenos físicos y a la me-

todología de esta disciplina, con cuyo fundamento abordará el estudio del movimiento y de las interacciones mecánicas y analizará, desde

un punto de vista energético, los sistemas mecánicos. Con ello se busca que el estudiante vaya desarrollando las habilidades para predecir e

interpretar fenómenos físicos y manejar los principios y modelos que rigen a esta disciplina.

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E N F O Q U E

El enfoque se define como la perspectiva desde la cual se estructuran los contenidos y se establece la metodología a seguir para su ense-

ñanza-aprendizaje. El enfoque se divide de dos aspectos: el disciplinario y el didáctico.

En el aspecto disciplinario:

Los programas de Física se estructuran considerando el aprendizaje de esta disciplina como un proceso de construcción del conocimiento y

no como un conjunto estructurado y ya dado de éste, para lo cual se apoya en el método experimental; se desarrolla primero una perspectiva

cualitativa de los fenómenos propios de la materia para, con base en ellos, avanzar en el nivel de explicación representativa y de aplicación

que permita la construcción de la concepción de los sistemas físicos por medio de aspectos cualitativos o sensoriales, a fin de llegar a los

aspectos cuantitativos; esto es, la utilización de modelos. Estos dos aspectos -el cualitativo y el cuantitativo- se acompañan de una caracte-

rística fundamental para la comprensión y el dominio de esta disciplina: el carácter predictivo, con el cual se consolida el proceso, dado que

esto implica tanto la nueva observación como la cuantificación, dado que el estudiante practica de una forma más precisa y objetiva.

El desarrollo de este proceso debe darse de una manera gradual y continua, de forma que posibilite al individuo pasar por todas las etapas

de construcción del conocimiento; así, el contacto que el estudiante establece con los fenómenos físicos en los que se manifiestan algunos

comportamientos de la materia-energía, propicia que ponga en juego todas sus estructuras cognitivas para aprender lo nuevo, dándose una

transformación mutua entre el estudiante y el objetivo de estudio que va desde las percepciones más concretas, cercanas y significativas,

hasta simbolizaciones más abstractas o modelos más formales del evento físico; entre estos extremos se establecen etapas intermedias que

marcan los niveles de complejidad creciente del objeto de estudio, del método para abordarlo y, consecuentemente, del conocimiento del es-

tudiante.

Lo anterior permite proponer como contenidos para Física I una introducción al estudio de los sistemas físicos, de los cuales se parte para

entrar al estudio del movimiento y de las interacciones mecánicas y concluir con el análisis energético de sistemas mecánicos.

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En el aspecto didáctico El desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje supone que no sólo se aprende de los contenidos, sino también de la forma en que és-

tos se enseñan. Si se pretende que el estudiante adquiera habilidades lógico metodológicas, desarrolle actitudes positivas respecto a la dis-

ciplina y sea crítico, es necesario utilizar modelos pedagógicos que posibiliten estos fines.

En este sentido, se plantea una concepción pedagógica, que fundamentada en los valores, principios y fines del Colegio de Bachilleres pro-

pone cinco líneas para orientar la práctica educativa:

1. Planteamiento de problemas o explicación de fenómenos.

La estructuración del conocimiento es consecuencia de la interacción con situaciones problemáticas, por lo que iniciar el proceso educativo

con el planteamiento de un problema o la presentación de un fenómeno es un elemento clave para que el estudiante cuestione, interrogue y

finalmente busque respuestas y explicaciones, ejercitando su razonamiento y confrontándolo con sus referentes previos; esto asigna al pro-

fesor el papel de diseñador de situaciones y promotor del aprendizaje.

Las situaciones alrededor de las cuales se plantearán los problemas deben ser o hacerse relevantes para el estudiante y abarcan dos di-

mensiones: la realidad misma del estudiante, lo que implica, tomar su esquema referencial, es decir, considerar sus saberes y haceres, su si-

tuación personal, familiar y social, sus expectativas, inquietudes, intereses y necesidades, así como también la problemática de que se ocu-

pan las ciencias, lo que significa ponerlo en contacto con el estado que presenta el avance científico en la actualidad, sus dificultades y

perspectivas. Los problemas que se planteen considerarán, entonces, tanto los conocimientos previos de los alumnos como la estructura y

los saberes de la disciplina, para ser resueltos y lograr el aprendizaje esperado.

Se trata con esto que el estudiante ponga en juego sus habilidades de pensamiento y sus conocimientos previos y descubra la insuficiencia

de éstos para resolver el problema o explicar el fenómeno presentado, lo que le impondrá la necesidad de buscar explicaciones nuevas y lo

orientará a un nivel superior de conocimiento.

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2. Ejercitación de los métodos.

Para resolver el problema o explicar el fenómeno presentado se requiere de un camino, éste es la metodología. Siendo la Física una ciencia

experimental, es necesario que el estudiante conozca el método experimental y se ejercite en su aplicación, buscando por sí mismo -con la

orientación del profesor- las respuestas a las preguntas que se ha planteado, lo que lo habilitará para buscar información y analizarla de ma-

nera crítica y autónoma.

La ejercitación constante y didáctica del método experimental incluye: observaciones dirigidas hacia eventos de interés, delimitación de pro-

blemas organizando la información, identificación de variables, manipulación o control de variables, sistematización y análisis de resultados,

emisión de conclusiones y, finalmente, la elaboración de informes.

Todos estos elementos se integran en un proceso de construcción de conocimiento y no guardan un orden rígido a seguir, sino que interac-

túan retroalimentándose unos a otros. La actividad experimental se concibe como algo que rebasa al laboratorio, extendiéndose al salón de

clases, al campo y a los propios hogares.

La ejercitación de los métodos permite generar en el estudiante una disciplina de investigación y estudio en la que pondrá en juego el gusto

por aprender.

3. Apropiación constructiva de conocimiento.

El ejercicio de los métodos lleva consigo la apropiación de conocimientos ya dados, correspondientes a disciplinas cuyo estado actual es

producto de una historia de construcción de los mismos. En este sentido, el estudiante deberá abocarse a la búsqueda de información teóri-

ca para llegar a aquellos conceptos que engloban y explican la situación estudiada, lo cual le permitirá apropiarse constructivamente de ellos.

Esto implica que el estudiante no los memorizará acríticamente, no los verá como algo aislado o ajeno a su realidad, sino que los adoptará y

retendrá como respuesta a situaciones que para él mismo son significativas.

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4. Relaciones, utilidad y aplicaciones actuales. Los conceptos así generados deberán reforzarse con la lectura o alguna otra actividad extraclase, de temas de actualidad, a través de los

cuales el estudiante pueda percatarse de la importancia y utilidad de la disciplina, de sus relaciones con otros campos del conocimiento y de

sus posibles aplicaciones para la solución de problemas, en la realidad inmediata. Para ello, en la bibliografía se incluyen textos y publicacio-

nes de divulgación científica y tecnológica.

5. Consolidación, integración y retroalimentación.

Finalmente, el alumno deberá realizar diferentes actividades donde consolide lo aprendido e integre el conocimiento con lo cual, necesaria-

mente, se reiniciará el proceso que lo llevará a conceptos más complejos. En este camino es fundamental la retroalimentación por parte del

profesor, ya que ésta permitirá al estudiante observar y corregir sus errores, así como valorar sus aciertos en función de sus propios resulta-

dos.

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UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE SISTEMAS FÍSICOS Carga horaria: 12 Horas. OBJETIVO: El estudiante identificará y controlará variables de sistemas físicos simples relacionados con su vida cotidiana; comparará

cualitativa y cuantitativamente magnitudes, establecerá relaciones entre ellas y manejará la noción de modelo, destacando su carácter predictivo a través de la manipulación de sistemas, sin que se requiera de mayor formalización ni lenguaje téc-nico previos, de esta manera se iniciará simultáneamente en la metodología y temáticas de la Física.

OBJETIVO DE OPERACIÓN ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS SUGERIDAS

1.1 El estudiante identificará y controlará variables de sistemas físicos simples comparando y relaciona-do cualitativamente magnitudes, lo que le permitirá comprender que también en la vida cotidiana se pue-de llevar a cabo un control experimental. 1.1.1 El estudiante adquirirá la noción de sistema físico a través de la observación y manipulación de los elementos que lo constituyen, para conocer su re-lación y hacer algunas predicciones sobre dicho sis-tema.

- Hacer referencia a situaciones donde hay cierto control sobre los objetos y el

medio que nos rodea; por ejemplo, el control sobre aparatos eléctricos en el hogar (volumen de un radio, brillo de un foco, etc).

- Con una serie de actividades lograr que un cuerpo flote o se hunda según

cambien las condiciones. - Con la manipulación de sistemas físicos (pilas y focos) identificar y controlar

variables para establecer la relación entre el número de pilas, el número de fo-cos y el brillo de éstos, en circuitos eléctricos simples.

- Hacer predicciones acerca de brillo de focos para nuevos circuitos.

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OBJETIVOS DE OPERACIÓN ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS SUGERIDAS

1.1.2 El estudiante identificará y controlará las variables de un sistema físico que son de-terminantes en su comportamiento, por medio de la observación y manipulación experimental de objetos, para interpretar los cambios en di-cho sistema y valorar la utilización y la limitación de los sentidos en la comparación de magnitu-des físicas. 1.2 El estudiante comparará y relacionará cuantitativamente magnitudes y representará esquemáticamente (modelo) el sistema físico, a partir de la manipulación que haga en el siste-ma, con el fin de predecir los cambios que se manifiestan en él. 1.2.1 El estudiante representará de manera simplificada el sistema, tomando en cuenta úni-camente variables significativas y utilizando di-bujos a escala para establecer relaciones de proporcionalidad entre estos.

- Con la manipulación del dispositivo de cuerdas vibrantes establecer la relación entre

el tono de las variables de las que éste depende (longitud, grosor y tensión), seña-lando si esta relación es directa o inversa.

- Aplicar lo anterior para resolver un problema cualitativo; por ejemplo, afinar una guita-

rra. - Hacer énfasis en el papel de los sentidos como un primer acercamiento al mundo que

nos rodea y comentar sobre sus limitaciones al comparar magnitudes (sopesando ob-jetos o comparando tonos o brillos, etc.).

- Con lámpara y varillas de madera de diversos tamaños producir sombras. Hacer una

representación esquemática de este sistema físico, utilizando dibujos a escala y esta-blecer las relaciones de proporcionalidad entre el tamaño de la sombra y el tamaño de la varilla.

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1.2.2 El estudiante utilizará un modelo para hacer predicciones cuantitativas en sistemas fí-sicos, usando el concepto de proporcionalidad para compararlos con los resultados experimen-tales.

- Establecer bajo qué condiciones se da la proporción directa entre el tamaño de la

sombra y el tamaño de la varilla de madera. - Predecir el tamaño de la sombra que producirá un lápiz con base en su longitud, em-

pleando el modelo construido anteriormente. - Aplicar lo anterior en un problema donde se usen dibujos a escala; por ejemplo, en-

contrar la distancia a la que se encuentra un objeto eclipsándolo. - Enfatizar el empleo de las mediciones en la vida diaria, recurriendo a ejemplos coti-

dianos. - Efectuar lecturas complementarias para redondear el tema de mediciones.

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OBJETIVO SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA. Esta modalidad de evaluación proporciona al profesor información acerca del esquema de co-nocimientos y habilidades que posee el estudiante y que son necesarios para enfrentar nuevos temas (objetivos de operación o unidad). El profesor puede utilizarla como una estrategia, dado que le permitirá tener un punto de referencia inicial que sirva de contraste con los conocimien-tos y habilidades que se logren al final del proceso enseñanza-aprendizaje. Es importante que el profesor, al conocer el esquema de conocimientos y habilidades que el estudiante posee, haga más énfasis en la forma en la que se aprende, que en el manejo de los contenidos. Esta modalidad de evaluación se puede utilizar sistemáticamente siempre que se den los aprendizajes nuevos, sin que se descarte la posibilidad de diagnosticar también al inicio de ca-da unidad y retomar la información para cada objetivo de operación. Establecer estos lineamientos permitirá plantear situaciones físicas que hagan que el estudian-te entre en contradicción con su marco referencial sin que éste requiera de formalizaciones.

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1.1.1 al 1.1.3

1.2.1 al 1.2.2

EVALUACIÓN FORMATIVA.

Esta modalidad de evaluación proporciona información al profesor sobre el proceso de cons-trucción del conocimiento y de las habilidades adquiridas por el estudiante que son necesarias para continuar en el proceso enseñanza-aprendizaje. El profesor puede utilizarla para evaluar y retroalimentar las estrategias de aprendizaje utilizadas. Así para la Unidad I se sugiere evaluar que el estudiante: Identifique y controle variables de sistemas, además de establecer relaciones entre ellas a tra-vés de comparaciones y mediciones. Use el concepto de proporcionalidad y las representaciones esquemáticas para aplicar y hacer predicciones en los sistemas.

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UNIDAD 2. MOVIMIENTO E INTERACCIONES MECÁNICAS Carga horaria: 40 horas OBJETIVO: El estudiante explicará el movimiento rectilíneo con velocidad constante como el movimiento de un cuerpo al que se le aplica

fuerza neta igual a cero y construirá el concepto de velocidad. En los casos en que el cuerpo se mueva en trayectoria no rectilínea o cambie la velocidad del mismo, explicará que existe una fuerza neta diferente de cero que lo afecta. Explicará la relación entre el cambio de velocidad, la fuerza neta, el tiempo de aplicación y la masa del objeto para movimientos rectilí-neos. Explicará la ley de interacción para distintos objetos de su entorno, al mismo tiempo adquirirá habilidades lógicas y metodológicas propias de la Física, a través de la construcción de conceptos físicos del modelo newtoniano de la mecánica, por medio de la experimentación; así, utilizará las Leyes de Newton para explicar y hacer predicciones sobre el movimiento de algunos objetos de su vida cotidiana.


2.1 El estudiante explicará los conceptos de movi-miento libre y movimiento forzado, a través de com-paraciones cualitativas en actividades experimentales en las cuales se tenga en cuenta el efecto de la fuer-za de fricción, a fin de que establezca la primera Ley de Newton. 2.1.1 El estudiante explicará el concepto de mo-vimiento libre (movimiento rectilíneo) recorriendo dis-tancias iguales en tiempos iguales con fuerza neta igual a cero, a través de la manipulación de objetos que se muevan con razonamiento muy pequeño, pa-ra experimentar el movimiento con fuerzas equilibra-das o “sin fuerzas”.

- Iniciar una discusión que tenga por objeto conocer por qué un cuerpo puede

mantener su movimiento rectilíneo uniforme continuo en una superficie horizon-tal.

- Preguntar: ¿Cuál es el jalón continuo mínimo para mantener el movimiento? - Manipular bloques de fricción, ligas o elásticos, para relacionar la rugosidad de

las superficies en contacto con el jalón continuo que se requiere para mantener los bloques en movimiento.

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2.1.2 El estudiante explicará los conceptos de equilibrio de fuerzas y fuerza neta para ca-sos de fuerzas colineales, mediante la manipu-lación de objetos en reposo o movimiento en condiciones de baja fricción y la elaboración de diagramas de fuerzas, en los cuales las flechas representan jalones, con el fin de inferir que la acción de dos o más fuerzas colineales es equivalente a la acción de una sola fuerza (fuerza neta), la que para casos de equilibrio vale cero y que por lo tanto, en estas condicio-nes se puede tener reposos o movimiento recti-líneo uniforme (movimiento libre).

- Discutir si al ir disminuyendo el roce hasta hacerlo despreciable, el cuerpo requiere o

da el jalón continuo para mantenerlo en movimiento. - Colocar el disco de baja fricción sobre una superficie horizontal lisa, darle un empujón

de corta duración y observar que el disco se mantiene en movimiento, aún cuando el empujón no es continuo.

- Caracterizar el movimiento de la tapa, colocando marcas equidistantes y golpeando

la mesa cada vez que el disco pasa por la marca. - Hacer la misma experiencia con el carro de baja fricción y observar que tiene aproxi-

madamente el mismo comportamiento, recorre distancias iguales en tiempos iguales. - Aplicar dos jalones al carro de baja fricción en dirección opuesta, de tal manera que

se equilibren y el carro no se mueva. A partir de esto inferir que los efectos de las fuerzas aplicadas se equilibran.

- Aplicar dos jalones al carro como en el caso anterior, pero ahora haciendo que se

mueva aún con fuerzas en equilibrio -con MRU o movimiento libre-. - Representar los jalones por medio de flechas, es decir, elaborar de manera cualitativa

diagramas de fuerzas. - Discutir que la acción de dos o más fuerzas colineales es equivalente a la acción de

una sola fuerza llamada neta y que para casos de equilibrio dicha fuerza vale cero.

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2.1.3 El estudiante explicará el concepto de fricción cinética, infiriéndolo como una fuerza que aparece cuando un cuerpo se mueve sobre una superficie; a través de analogías y de la uti-lización del concepto de fuerza neta para fuer-zas colineales, a fin de que se considere su efecto en situaciones reales. 2.1.4 El estudiante explicará el concepto de fricción estática, infiriéndolo como una fuerza que aparece cuando un cuerpo permanece en reposo sobre una superficie, cuando se le ha aplicado una fuerza paralela a la superficie, a través de analogías, con el fin de considerar su efecto en situaciones reales.

- Trabar las ruedas del carro y aplicar un jalón, de tal manera que el carro se mueva

con movimiento libre (MRU). - Aplicar ahora un jalón al bloque de fricción para producir un movimiento rectilíneo

continuo. - Hacer la analogía con el carro que se movía con MRU, para concluir que la fricción

cinética es una fuerza. - Aplicar un jalón al carro de baja fricción por uno de sus extremos, evitando su movi-

miento al sujetarlo con otra liga. - Aumentar la intensidad de los jalones, estirando de manera progresiva las ligas y ob-

servando que ambas estiran igual. - Atar con un hilo de algodón el carro de baja fricción y jalarlo por el otro extremo con

una liga hasta ponerlo en movimiento al romperse el hilo. - Trabar las ruedas del carro y aplicar un jalón en uno de los extremos con una liga

hasta ponerlo en movimiento. - Aplicar ahora un jalón al bloque de fricción hasta ponerlo en movimiento. - Concluir de las experiencias anteriores que la fricción estática es una fuerza y resaltar

que puede tener valores desde cero hasta un valor máximo.

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2.1.5 El estudiante explicará el concepto de movimiento forzado como un movimiento en el que cuando el objeto se mueve cada vez más rápido o más lento y/o curva su trayectoria, la fuerza neta es diferente de cero, por medio de la manipulación de objetos, para que pueda ex-perimentar de manera cualitativa los cambios que en el movimiento de un cuerpo provoca una fuerza desequilibrada.

- Aplicar varios empujones de corta duración al disco de baja fricción sobre una super-

ficie lisa horizontal. Observar que cada vez que se da un empujón de corta duración al disco va cada vez más rápido en la dirección en que se está moviendo.

- Aplicar un empujón de corta duración al disco de baja fricción sobre una superficie

horizontal lisa y, posteriormente, desviarlo de su camino rectilíneo con empujones la-terales.

- Aplicar un empujón de corta duración al disco de baja fricción sobre una superficie li-

sa horizontal, posteriormente, acercar un imán al disco y observar que cambia su tra-yectoria.

- Utilizar otro tipo de fuerzas para resaltar los efectos desviadores (electrostáticas, gra-

vitacionales, etc.). - Utilizar el carro de baja fricción para verificar que en el movimiento con fuerza neta

igual a cero, el carro recorre distancias iguales en tiempos iguales. - Para contrastar con la experiencia anterior, aplicar una fuerza constante al carro de

baja fricción para verificar que en el movimiento con una fuerza neta diferente de ce-ro, el carro recorre distancias iguales en tiempo cada vez más pequeños.

- Mostrar que cuando una fuerza se aplica en sentido contrario al movimiento del carro

de baja fricción, éste va disminuyendo su velocidad. - Discutir por qué los cuerpos en movimiento sobre superficies horizontales se detienen

tarde o temprano.

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2.2 El estudiante explicará el concepto de ve-locidad, a través de comparaciones entre obje-tos que se mueven en línea recta y controlando variables, con el fin de establecer la relación:

2.3 El estudiante explicará la relación entre el cambio de velocidad, la fuerza neta, el tiempo de aplicación y la masa del objeto para movi-mientos rectilíneos, interpretando sus experien-cias en el laboratorio, para relacionarlas con el movimiento de algunos objetos en su vida coti-diana, de acuerdo con la segunda Ley de New-ton.

- Comparar cualitativamente las velocidades de dos discos de baja fricción observan-

do, primero, el tiempo que tardan en recorrer la misma distancia y, luego, observando la distancia que recorren cuando los movimientos duran el mismo tiempo.

- Establecer la relación de proporcionalidad entre la distancia que recorre un disco de

baja fricción y el tiempo que tarda en hacerla. Inferir el concepto de velocidad. - Utilizar el tubo de la burbuja para medir la velocidad de la misma y expresarla en m/s. - Discutir cuál es la fuerza neta sobre la burbuja.

- Pedir a los estudiantes que realicen las siguientes actividades:

• Estimar la velocidad de un automóvil que pasa por un determinado lugar, utilizan-

do cronómetro y flexómetro, y comparar con el valor leído en el velocímetro. • Investigar cómo funciona el velocímetro de un carro.

tdv =

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2.3.1 El estudiante identificará las variables que determinan los cambios de velocidad en un objeto al que se le aplica una fuerza no equili-brada mediante la manipulación de objetos y el control de variables, para estable-cer una relación cualitativa entre ellos. 2.3.2 El estudiante verificará la proporciona-lidad directa entre el cambio de velocidad, la fuerza aplicada y el tiempo de interacción, así como la proporcionalidad inversa con la masa del objeto, a través de la manipulación de obje-tos que se mueven en condiciones de fricción despreciable, para establecer la relación:

- Establecer que el cambio de velocidad del carro de baja fricción aumenta si el tiempo

durante el que es jalado es mayor, cuando la fuerza con que se jala y la masa del ca-rro permanecen constantes.

- Establecer que el cambio de velocidad del carro de baja fricción aumenta si la fuerza

con que se jala es mayor, cuando el tiempo de interacción y la masa del sistema per-manecen constantes.

- Estimar el cambio de velocidad del carro de baja fricción, utilizando el ticómetro, para

cada uno de los siguientes casos:

1) Para 1 y 2 seg. con F = cte. y m = cte. 2) Para F y 2F, con t = cte. y m = cte. 3) Para m y 2 m, con F = cte. y t = cte.

- Establecer la ecuación :

- Se recomienda ver fragmentos de los videos: Inercia y Masa Inercial del PSSC.

( )0¹Fneta

mtFvv o.

µ- mtFvv o.

µ-

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2.3.3 El estudiante explicará la relación:

con ayuda de la definición operacional del new-ton y del concepto de fuerza neta, para explicar movimientos rectilíneos de objetos tanto en condiciones de fricción despreciable como en condiciones de fricción cinética significativa, y para medir la masa de un objeto dinámicamen-te.

- Definir el newton como la fuerza neta que aplicada a un cuerpo de 1kg. que parte del

reposo y durante un segundo le imprime una velocidad de 1 m/seg. - Verificar la calibración en newtons de los dinamómetros. Aplicar un jalón constante de

1 N durante más de 1 segundo a un carro de BF: Con la ayuda de un ticómetro regis-trar las marcas; localizar el punto donde las marcas empiezan a tener separaciones constantes; estimar la velocidad alrededor de este punto y, posteriormente, contar 120 puntos hacia atrás (los golpes que dio en un segundo), para estimar la velocidad de ese punto. Verificar que el cambio de velocidad fue aproximadamente 1 m/seg.

- Jalar con un dinamómetro un carro de baja fricción con las ruedas trabadas de tal

manera que se mueva con M R U para así determinar el valor de la fricción cinética.

- Usar la expresión para problemas donde se tome en cuenta la

fuerza de fricción cinética. - Medir la masa de un objeto, dinámicamente, con la ayuda del carro de baja fricción,

un ticómetro y un dinamómetro, conociendo previamente la masa del carro en forma alternativa; medir la relación de masas entre un carro cargado y otro descargado, aplicando a este último una fuerza de I N y al primero la fuerza necesaria para que partiendo del reposo, ambos se muevan a la misma velocidad.

mtFnetavv o.

=-

mtFnetavv o.

=-

25


2.4 El estudiante explicará la 3a. ley de New-ton (ley de interacciones) a partir de la explica-ción de concepto de interacciones mecánicas y de la verificación experimental que haga sobre las relaciones de movimiento entre distintos cuerpos, para aplicar las Leyes de Newton a ac-tividades cotidianas. 2.4.1 El estudiante explicará el concepto de interacción mecánica, a través de la observa-ción de objetos que se jalan o empujan mutua-mente en contacto o a distancia y de la utiliza-ción de diagramas de fuerzas, como medio para el estudio de los sistemas mecánicos.

- Iniciar el estudio de las interacciones con ejemplos que muestran que la acción de un

cuerpo sobre otro ocurre simultáneamente con la acción del segundo cuerpo sobre el primero.

- Pedir que dos alumnos con los brazos estirados horizontalmente, tomados de la

mano, sean jalados por un tercero, donde el del centro tenga los ojos vendados, de tal manera que haya movimiento.

- Preguntar al alumno que quedó situado en el centro: ¿de quién de sus compañeros

sintió el jalón? - Representar con diagramas de fuerzas los jalones sentidos por cada uno de los

alumnos; siempre que se haga referencia a una fuerza, decir qué cuerpo la ejerce so-bre cuál otro (coloquialmente podemos decir que las fuerzas deben tener nombre y apellido).

- Con un clavo colgado en un soporte acercar un imán, observar que el clavo es atraí-

do por el imán. De manera análoga, ahora colgando el imán, acercar el clavo y ob-servar e interpretar que cuando estos dos cuerpos interactúan, se manifiesta una fuerza sobre el clavo y sobre el imán.

- Esta experiencia se puede repetir utilizando un par de péndulos electrostáticos car-

gados: observar que la conclusión de esta experiencia es equivalente a la de la ante-rior.

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2.4.2 El estudiante verificará que cuando un cuerpo A está ejerciendo una fuerza sobre un cuerpo B, éste estará ejerciendo sobre el prime-ro otra fuerza en sentido opuesto y del mismo valor. Esta verificación la hará por medio de la utilización de objetos y de instrumentos de me-dición, con el fin de interpretar experiencias en la vida cotidiana de acuerdo con la 3a. Ley de Newton (ley de interacción). 2.4.3 El estudiante aplicará las Leyes de Newton en situaciones donde la fuerza neta sea cero o diferente de cero, para el caso de obje-tos en movimiento rectilíneo, a través de la so-lución de los problemas planteados con su veri-ficación experimental, para hacer predicciones y consolidar el manejo de marco newtoniano.

- Unir dos carros de baja fricción por medio de dos dinamómetros (tipo tren). Aplicar un

jalón continuo a uno de ellos (carro A ) y observar que la fuerza con que el carro A ja-la al carro B es la misma con la que el carro B jala al carro A. Hacerlo con masas iguales y masas diferentes.

- A partir de la observación de los dinamómetros, concluir que las fuerzas que se mani-

fiestan en la interacción entre dos cuerpos son iguales, pero en sentido contrario. - Jalar un bloque de fricción sobre la superficie de un carro de baja fricción, para medir

la interacción que el bloque ejerce sobre el carro. Primero, sin que el bloque se desli-ce y, luego, deslizándolo con velocidad constante.

- Concluir que la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción cinética son resultado

de interacciones. - Discutir que:

a) Un objeto sobre un trozo de esponja recibe una fuerza de ésta y viceversa. b) Un objeto sobre un trozo de plastilina también recibe una fuerza de ésta y vice-

versa. c) Un objeto sobre una mesa recibe una fuerza de ésta y viceversa. d) Un objeto flotando en agua recibe una fuerza de ésta y viceversa; a partir de es-

tas observaciones se generaliza que: un soporte hace una fuerza sobre el obje-to que está sobre él.

- Explicar las interacciones entre los objetos y la mesa en que reposan. - Predecir la lectura de los dinamómetros montados en uno o dos carros de baja fric-

ción, cuando son sometidos a una o dos fuerzas y que pueden formar un arreglo tipo tren.

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2.5 El estudiante explicará la caída libre de los cuerpos, el movimiento de proyectiles y sa-télites y el estado de imponderabilidad (ingravi-dez) a través de la experimentación, así como de lecturas adecuadas para hacer predicciones sobre los fenómenos cotidianos. 2.5.1 El estudiante estudiará la definición operacional de peso, relacionándolo con el va-lor de la fuerza de gravedad y ésta con la masa, a través de la manipulación de objetos e instru-mentos de medición, para distinguir entre peso, fuerza de gravedad y masa.

2.5.2 El estudiante explicará el concepto de caída libre, a través de la comparación de la caída de objetos en medios que presentan dife-rentes resistencias a la caída y de la utilización del concepto de fricción cinética en fluidos, para determinar las condiciones en las que un cuer-po se puede considerar en caída libre.

- Definir el peso de un cuerpo como la lectura que registra un dinamómetro; es decir:

lectura del dinamómetro = peso. - Hablar de peso sólo cuando se mide. Mediante un diagrama de fuerzas establecer

que en condiciones de reposo o movimiento rectilíneo con velocidad constante el pe-so tiene el mismo valor numérico que la fuerza de gravedad.

- Medir la fuerza de gravedad pesando objetos de diferente masa, para establecer la

relación entre fuerza de gravedad y la masa . - Experimentar la caída de objetos en diferentes medios resistivos (viscosos). - Inferir que el peso, la forma, el tamaño y el medio se relacionan con el tiempo de caí-

da. - Discutir bajo qué condiciones resulta despreciable el efecto de la fricción. - Dejar caer simultáneamente dos objetos de 100 g y 1 Kg aproximadamente desde la

misma altura. Observar que prácticamente alcanzan el piso en el mismo instante. - Utilizar la segunda Ley de Newton para predecir el cambio de velocidad que adquiere

un objeto de 1Kg si se deja caer durante 0.3 seg. Utilizar el ticómetro para el registro de tiempos y distancias y comparar el valor medido con el predicho.

( )( )KgmNFmF gg 8.9despuésy =µ

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2.5.3 El estudiante explicará el estado de im-ponderabilidad (ingravidez), a través del análi-sis del diagrama de fuerzas de un objeto en caída libre, para relacionar el estado de impon-derabilidad con la caída libre.

- Repetir la experiencia anterior con un objeto de 50 ó 100 g. - Inferir que en el último caso la interacción de la cinta de papel con el ticómetro da

como resultado una fuerza de fricción cinética, cuya orden de magnitud es del orden de la fuerza de gravedad con que es atraído el objeto, por lo que el efecto es muy considerable.

- Definir la caída libre de los cuerpos como un movimiento en el cual sólo actúa la fuer-

za de gravedad, es decir, en el vacío. Se puede acercar a estas condiciones con bombas de vacío. Aclarar que en ciertas condiciones se obtienen resultados aproxi-mados den el aire.

- Hacer un diagrama de fuerzas para un paracaidista cuando inicia su caída y cuando

adquiere M R U (Velocidad terminal). - Colgar un objeto de un dinamómetro. Observar que la lectura del dinamómetro no

cambia si se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme. - Mover súbitamente hacia abajo el sistema dinamómetro-objeto. Observar que el pe-

so cambia. - Determinar que cuando el sistema dinamómetro-objeto se deja caer casi libremente,

el dinamómetro marca aproximadamente cero. - Plantear el problema de cuánto pesa una persona parada sobre una báscula de re-

sorte dentro de un elevador que cae libremente. - Hacer un diagrama de fuerza para la persona, con el objeto de determinar si ésta ad-

quiere la condición de caída libre. Llamar a este estado como de ingravidez o impon-derabilidad. Concluir que no existe interacción con la báscula y por eso se habla de un peso igual a cero.

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2.5.4 El estudiante explicará que el movi-miento es relativo, a través de la descripción de las trayectorias de objetos en caída libre, vistos desde observadores en reposo y en movimiento rectilíneo uniforme con respecto a la tierra, para relaciona la caída libre con el movimiento de proyectiles y satélites y, con esto, explicar el es-tado de imponderabilidad que experimentan los astronautas.

- Relacionar lo anterior con la sensación de ingravidez o imponderabilidad que experi-

menta un astronauta en órbita. - Describir la trayectoria que sigue un objeto cuando una persona que camina con ve-

locidad constante lo deja caer sin darle ningún empujón horizontal. - Discutir sobre la relatividad de la trayectoria del objeto, si es vista por una persona

que está en reposo y con respecto al pizarrón. - Describir la trayectoria de objetos que se dejan caer dentro del metro o de un auto-

móvil cuando se mueven con MRU vistos por observadores que se encuentran dentro y fuera de ellos.

- Describir las diferentes trayectorias que sigue un proyectil, manipulando el lanzapro-

yectiles. Dibujar el diagrama de fuerzas para diferentes puntos de la trayectoria. - Comparar el diagrama de fuerzas anterior con el de un objeto en caída libre y concluir

que el proyectil que describe una curva está en caída libre. - Preguntar si el proyectil hará blanco en el balín del lanzaproyectiles cuando éste se

deja caer en el momento de disparar. - Experimentar con diferentes alturas del proyectil cuando se está apuntando al balín. - Analizar cómo sería la trayectoria del proyectil si cuando se dispara dentro de un ele-

vador éste cae libremente y el observador está dentro. - Discutir qué ocurrirá con la trayectoria de un proyectil si cada vez se va lanzando ho-

rizontalmente con más velocidad.

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2.6 El estudiante aplicará el método gráfico de la Ley del Paralelogramo por medio del aná-lisis y manipulación de sistemas reales y de di-bujos a escala, para obtener la fuerza neta en situaciones de reposo y movimiento. 2.6.1 El estudiante verificará el método grá-fico de la Ley del Paralelogramo al combinar las fuerzas en el caso de concurrentes en equili-brio, a partir del uso de dibujos a escala, para abordar el análisis de situaciones donde las fuerzas que se aplican son coplanares.

- Realizar la experiencia anterior y plantear la pregunta: ¿Por qué no se “caen” los sa-

télites? - Hacer el diagrama de fuerzas del satélite y relacionar su movimiento con el de pro-

yectiles y el de caída libre. - Realizar las lecturas que hacen referencia la tema (contenidos con el fascículo 4).

- Plantear el siguiente problema: ¿Cómo pesar un objeto cuyo peso es más grande

que la escala del dinamómetro con que se cuenta? - Utilizar el abanico de fuerzas para inferir la Ley del Paralelogramo, con el uso y cons-

trucción de diagramas de fuerzas a escala. - Pesar objeto con el abanico en posición vertical usando, primero, unidades de fuerza

arbitrarias -elástico grueso- para después convertirlas en newtons. - Discutir cómo pesar el objeto con el dinamómetro en posición horizontal. - Resolver y verificar experimentalmente la primera pregunta. - Pesar el objeto con un dinamómetro o báscula cuya capacidad permita hacerlo.

Comparar este resultado con el obtenido con el método desarrollado.

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2.6.2 El estudiante aplicará el método gráfi-co de la Ley del Paralelogramo, a través de la manipulación de sistemas físicos simples, para establecer la dirección de la fuerza neta en si-tuaciones de objetos en movimiento forzado

- Utilizar el método gráfico de la Ley del Paralelogramo para establecer la dirección de

la fuerza neta en un péndulo simple cuando se pone a oscilar en diferentes puntos de la trayectoria, en particular en el punto más bajo. Realizar la actividad con un dina-mómetro y con un objeto de masa m.

- Concluir que la fuerza neta siempre apunta hacia la concavidad de la trayectoria cur-

va. - Discutir el papel de la fuerza neta en el cambio de velocidad así como en la dirección

de movimiento. - Concluir que para que la trayectoria sea curva, se requiere una fuerza neta que lo

desvíe de su trayectoria. - Discutir por qué el hilo puede sostener al péndulo cuando entra en reposo, pero pue-

de romperse cuando oscila. - Usando la Ley del Paralelogramo obtener la fuerza neta sobre un péndulo que se en-

cuentra en reposo, pero desviado de la vertical, dentro de un vagón del metro que va aumentando su velocidad.

- Usando el método gráfico para la Ley del Paralelogramo obtener la fuerza neta sobre

el carro de baja fricción cuando desciende sobre un plano inclinado y verificar que la equilibrante sería una fuerza de igual magnitud y sentido opuesto, deteniendo al carro con un dinamómetro.

- Del ejemplo anterior calcular gráficamente el valor de la fuerza con que plano empuja

verticalmente al carro y verificar experimentalmente el resultado, retirando el plano y sosteniendo al carro con otro dinamómetro en la dirección perpendicular al plano.

( )0¹Fneta

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- Utilizar el método gráfico de la Ley del Paralelogramo para establecer la dirección de

la fuerza neta en un péndulo cónico. Realizar la actividad con un dinamómetro y con un objeto de masa m.

- Unir dos ligas a un objeto de 50 g añadir otro objeto de 50 g. al extremo de una de las

ligas y hacer girar el dispositivo por el extremo de la liga que quedó libre en un plano vertical, en condiciones de fuerza de gravedad despreciable (el movimiento será prác-ticamente en un plano horizontal).

- Hacer un diagrama de fuerzas para cada uno de los objetos, para diferente punto de

la trayectoria. - Señalar en todos los casos la dirección de la fuerza neta sobre cada objeto.

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Del 2.1.1 al 2.1.5

Tema 2.2

Del 2.3.1 al 2.4.3

Del 2.5.l al 2.5.4

Del 2.6.1 al 2.6.2

EVALUACIÓN FORMATIVA.

Para esta unidad se evaluará que el estudiante:

- Maneje los conceptos de fricción estática, fricción cinética, fuerza neta, equilibrio de fuerzas

colineales y movimiento libre; y los aplique al análisis cualitativo en condiciones de reposo o de movimiento libre, así como de movimiento acelerado.

- Maneje los conceptos de velocidad y de movimiento forzado a través de compa-raciones cualitativas y de relaciones de proporcionalidad para el caso de movimientos rectilí-neos.

- Maneje las tres Leyes de Newton en la solución de problemas donde la fuerza neta sea cero

o diferente y de cero, en casos de fricción despreciable y para fuerza de fricción considera-ble y, en problemas y situaciones de reposo o movimiento rectilíneo; y explique cómo podría confrontar los resultados predichos en el modelo con el experimento.

- Explique la caída de los cuerpos considerando la resistencia del medio y el modelo de caída

libre. - Relacione la caída libre con el movimiento de satélites, para explicar el estado de imponde-

rabilidad. - Maneje el método gráfico del paralelogramo y lo utilice como herramienta de análisis en si-

tuaciones de reposo y movimiento donde las fuerzas no son colineales.

( )0¹Fneta

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EVALUACIÓN SUMATIVA. Para llevar a cabo la evaluación sumativa, el profesor, al hacer la selección de los instrumentos adecuados, debe tener siempre presente qué se quiere evaluar, es decir, si es habilidad o co-nocimiento y el nivel de profundidad que se requiere. Por ejemplo, para evaluar el tema 2.2, se requiere que el estudiante maneje el concepto de velocidad, lo cual implica que interprete, re-lacione y aplique dicho concepto. Sería inadecuado plantear una pregunta pidiéndole al estu-diante que sólo defina el concepto de velocidad, ya que esto último únicamente le implicaría memorizar y no es ésta la habilidad que se pretende desarrollar en los estudiantes, según lo establece el enfoque.

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UNIDAD 3. ANÁLISIS ENERGÉTICO DE SISTEMAS MECÁNICOS Carga horaria: 8 horas OBJETIVO: El estudiante explicará el comportamiento de los sistemas mecánicos en términos de la transformación, mediante trabajo de

diferentes formas de energía mecánica, para arribar al concepto de la conservación de la energía mecánica de sistemas cí-clicos ideales, así como a su disipación en sistemas reales, debido a la fricción cinética.


3.1 El estudiante explicará el concepto de energía potencial gravitatoria como la capacidad para hacer trabajo, cuando un objeto sube a otro mientras éste baja, calculando el trabajo realizado, para asociar es-te trabajo con el cambio de la configuración del sis-tema. 3.1.1 El estudiante explicará que cuando se sube un cuerpo se está realizando trabajo, a través de la utilización del dinamómetro en posición vertical y de la expresión:

Trabajo = peso x altura

para calcular el trabajo hecho en joules al subir un cuerpo.

- Relacionar el gasto de energía de un hombre con las actividades que realiza y,

de ellas, seleccionar la que consiste en levantar objetos con el fin de cuantificar el trabajo.

- Establecer la relación de proporcionalidad , analizando por

ejemplo, el trabajo que se realiza al subir objetos pesados con velocidad cons-tante a anaqueles en diferentes niveles.

)()()( maxNpJT =

alturaxpesoT µ

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3.1.2 El estudiante explicará el concepto de energía potencial gravitatoria (EPG) como la capacidad de hacer trabajo de un cuerpo que baja sobre otro que sube midiendo la fuerza que el objeto aplica para subir al otro cuerpo y la altura que se desplaza; para establecer la conservación de la EPG en casos de fricción despreciable. 3.1.3 El estudiante explicará que la energía potencial corresponde a una configuración de un sistema, a través de analogías de objetos que interaccionan en contacto y a distancia, pa-ra generalizar a otros tipos de energía poten-cial.

- Definir operacionalmente el joule como el trabajo que se realiza al levantar un cuerpo

que pesa 1 newton a un metro de altura a velocidad constante. - Pesar objetos con el dinamómetro (calibrado en newtons) y levantarlos a diferentes

alturas, a velocidad constante, para medir el trabajo realizado. - Se introduce el concepto de EPG como capacidad de realizar trabajo. - Cuando baja un cuerpo y sube otro en el sistema de una polea fija, el primer cuerpo

hace trabajo sobre el segundo transfiriéndole su energía, de la misma manera que en el “sube y baja”.

- Establecer la expresión de la energía potencial gravitacional: . - Con imanes que se atraen hacer la analogía con el sistema Tierra-piedra, resaltando

el hecho de que se hace trabajo al separar los imanes y que, al juntarse vuelven a realizar trabajo al deformar pedazos de plastilina en forma similar a como se clavan pilotes cuando el martinete se precipita al suelo.

- Introducir el concepto de energía potencial elástica usando un sistema de imanes

que se repelen, de igual manera que en la experiencia anterior y hacer la analogía con un resorte de comprensión, destacando que esta energía potencial está asociada a la deformación del resorte.

alturaxFEPG g=

37


3.2 El estudiante explicará que las energías cinética traslacional y cinética rotacional están asociadas a objetos en movimiento y, supo-niendo la conservación de la energía, las mida a partir de la energía de configuración a través del estudio de sistemas mecánicos cíclicos, a fin de distinguir y estimar la cantidad de energía disponible en dichos sistemas 3.2.1 El estudiante explicará que existen energía asociadas al movimiento de los cuerpos (cinética traslacional y cinética rotacional), a través de la manipulación de sistemas físicos cíclicos, para distinguir las diferentes energías en los sistemas.

- Analizar la energía que tiene un proyectil apenas se despega del resorte de un lan-

zaproyectiles, observar que éste último ha perdido su energía potencial elástica cuando todavía no adquiere la energía potencial gravitacional (esto en el caso de los proyectiles lanzados verticalmente hacia arriba) e inferir el concepto de ECT.

- Revisar el ejemplo de martinete poco antes de alcanzar el suelo e inferir algo similar. - Con el “yo-yo” y el disco de Maxwell inferir la energía cinética rotacional. - Reconocer los tipos de energía EPG, EPE, ECR y ECT en sistemas mecánicos cícli-

cos como:

• El péndulo simple • Sistema masa-resorte • Péndulo Wilber-Force • Péndulos acoplados

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3.2.2 El estudiante calculará el valor de las energías potencial elástica y cinética, a través de su transformación a EPG, suponiendo la conservación de la energía mecánica, para que estime la cantidad de energía disponible en la configuración de un sistema o en un objeto en movimiento.

- Interpretar la disipación de la energía contrastando el comportamiento de sistemas: • Un carro que es jalado por una pesa que cae por medio de un hilo y golpea una li-

ga tensa, de manera que el carro es empujado otra vez por la liga hasta que se de-tiene.

• El bloque de fricción es jalado por una pesa que cae por medio de un hilo, de for-

ma que el bloque se mueva a velocidad constante. - Interpretar por qué un cuerpo que se desliza con fricción despreciable, adelanta a otro

que rueda cuando se sueltan simultáneamente desde la misma altura en un plano in-clinado.

- Calcular la energía cinética del cuerpo de un péndulo simple cuando pasa por el punto

más bajo de su trayectoria, a partir de la energía potencial gravitacional que tenía el cuerpo al estar separado de la vertical, considerando despreciable la disipación de energía.

39

OBJETIVO BIBLIOGRAFÍA

Del 3.1.1 al 3.2.2

EVALUACIÓN FORMATIVA. Para esta unidad se evaluará que el estudiante: - Interprete la configuración de un sistema de objetos y el movimiento de éstos como la

energía potencial y cinética de sistemas.

- Distinga los diferentes tipos de energía, maneje sus transformaciones y su disposición en

sistemas mecánicos.

- Calcule el valor de los diferentes tipos de energía e interprete su disipación en los sistemas

mecánicos cíclicos.

EVALUACIÓN SUMATIVA. Realizar sólo una evaluación que abarque desde el objetivo 3.1.1 al 3.2.2 tratando de enfati-

zar sobre lo planteado en la evaluación formativa.

40

OBJETIVO BIBLIOGRAFÍA PARA EL ALUMNO

1.1.1 y 1.2.2

BÁSICA - Fascículo I de Física I, Colegio de Bachilleres. COMPLEMENTARIA - Braun, E. El saber y los sentidos. FCE, México, 1988.

El autor, Eliezer Braun, hace alusión sobre los aspectos del desarrollo humano, a través de los sentidos como un punto inicial en la percepción de señales físicas para detectar lo que sucede a nuestro alrededor. El punto central es el análisis de los fenómenos a través de las percepciones sensoriales, como mecanismos iniciales para el estudio de la ciencia física.

- Cetto, A. La Luz. FCE, México, 1988.

Este libro presenta, a manera de divulgación científica, la explicación de algunos de los fe-nómenos luminosos más comunes en nuestro entorno. Puede utilizarse como lectura de extensión en el estudio de sombras y colores.

- Gamow, G. Bibliografía de la Física. Biblioteca General Salvat, España 1971.

Este texto se sitúa en el nivel intermedio entre hechos y teoría de la ciencia física y la bio-grafía de los hombres de ciencia. Este nivel intermedio se centra, principalmente, en dar a conocer lo que en la Física y su contribución a la explicitación de los fenómenos, particu-larmente en el estudio de la caída libre de los cuerpos.

- Brandwein, Paul F. et al. Física. La energía.- sus formas y sus cambios. Publicaciones Cul-

tural, México, 1973.

Este libro se apega mucho al enfoque propuesto, salvo porque no usa el sistema interna-cional de unidades de manera sistemática, plantea problemáticas desde el marco de la vida cotidiana, y usa como medio para estudiar los fenómenos dispositivos con materiales senci-llos que puedan reproducirse por los estudiantes.

41


2.1.1 al 2.6.2

- Perelman, Y. Física Recreativa. Tomo I y II. Mir-Moscú, URSS, 1985.

El autor de estos textos pretende, con buenos logros, transmitir los principales conceptos de la Física a través de localizar la manera en que sus leyes se manifiesten en distintos procesos y fenómenos con los que nos encontramos en nuestra vida cotidiana. Por lo tan-to, este libro hace más accesible el estudio de nuestra disciplina a alumnos del nivel medio superior.

- Conrad, G. Luz y Visión. Time-Life, Alemania, 1969.

Este texto ofrece un tratamiento de divulgación científica sobre temas de Óptica, incluyen-do múltiples imágenes a color, lo que hace más ameno y comprensible el estudio de dichos tópicos. La propia lectura es ágil y, como es característica de esta colección, mantiene el interés sobre conceptos complicados de entender en otras referencias bibliográficas. Estas cualidades lo hace un libro muy recomendable para el estudiante.

BÁSICA - Fascículos 2, 3 y 4 de Física I. Colegio de Bachilleres

42


- COMPLEMENTARIA - Aguilar Loyola, J. Isaac Newton. Limusa-Noriega CONALEP, México, 1989.

En este texto encontraremos la biografía del científico que revolucionó la concepción que se tenía de la Física hasta el siglo XVIII, y que propuso teorías para otras ramas de la ciencia, lo que le otorgó el lugar más preponderante en la historia de la ciencia moderna. El conocer, a través de las páginas de este libro, la vida de Newton y los momentos históricos en que esta se situó, nos permite hacer un análisis de los factores que determinaron los descubrimientos de este relevante hombre. Por otra parte, se hace también una revisión de las leyes que Newton elaboró y se aborda el punto de por qué su nombre fue utilizado para denominar la unidad de fuerza.

- Perelman, Y. Física Recreativa. Tomos I y II. Mir-Moscú, URSS,1983.

Comentado en la unidad anterior. - Viniegra, F. Una mecánica sin talachas. FCE, México, 1988. Colección la Ciencia desde

México

En el texto se abordan las Leyes de Newton sin hacer uso exhaustivo del lenguaje científi-co y sin perder su calidad. Las ideas que aquí se desarrollan son con base al estudio de los fenómenos cotidianos.

- Brandwein, Paul F. et. al. Física, la energía.- sus formas y sus cambios. Publicaciones Cul-

tural, México, 1973.

Comentado en la unidad anterior.

43


3.1 al 3.4

- Swan, Bram de. El Inglés de la Manzana. Pangea, México, 1986.

Este libro narra sobre la obra que realizó Newton en los campos en que trabajo, en particu-lar, en el Cálculo Diferencial, la Mecánica y la Óptica, detallando históricamente la manera en que se dió el proceso; inclusive tomando citas de los principios matemáticos, la obra cumbre de Sir Isaac Newton.

- Bravo, Silvia. ¿Usted también es aristotélico? Instituto de Geofísica, UNAM, México, 1990.

La autora aborda el estudio del movimiento a través del pensamiento del sentido común (aristotélico) para después mostrar el mismo estudio pero a partir del marco Newtoniano; haciendo énfasis en las Leyes de Newton y resaltando los errores que se cometen al guiarse únicamente por el sentido común. Asimismo, presenta una serie de ejercicios muy interesantes.

BÁSICA

- Fascículo 5 de Física I. Colegio de Bachilleres.

COMPLEMENTARIA

- Cetto, et al. El mundo de la Física. tema 6, 3a. edición. Trillas, México, 1985.

Los autores del texto abordan los principales conceptos de la energía y sus diversos pro-cesos de conversión, que ocurren en nuestra vida cotidiana. Este libro es un complemento accesible en el estudio de este tema para estudiantes de bachillerato.

44


- Perelman, Y. Física Recreativa. Tomos I y II. Mir. Moscú, URSS, 1983.

Comentada en unidades 1 y 2. - Wilson. M. Energía. Colección Time Life, Alemania, 1969.

Este libro, en un lenguaje sencillo y muy comprensible, explica la enorme diversidad de formas en que se manifiesta la energía, citando a los numerosos científicos que aportaron avances a distintas disciplinas. Por la gran cantidad de fotografías e imágenes que acom-pañan al texto y por la mención de tantos y tantos ejemplos cotidianos de energía, este li-bro es recomendable para el alumno.

- Brandwein, Paul F., et al. Física. La energía.- sus formas y sus cambios. Publicaciones Cul-

tural, México, 1973. Comentada en la bibliografía de la Unidad I.

- Maxwell, J. Clerk. Materia y movimiento. SEP-IPN, México, 1990. Serie Ciencia y Técnica.

Este libro es una traducción de un texto elaborado por uno de los más grandes físicos de todos los tiempos, cuya principal aportación fue entre otras, la teoría electromagnética. En esta obra Maxwell revisa las leyes de Newton desde un punto de vista formal y utiliza pocas expresiones matemáticas. Usa la palabra aceleración como sinónimo de cambio de veloci-dad y aclara que Newton usaba la palabra fuerza como impulso, es decir, fuerza por tiempo de interacción. Además, utiliza las definiciones operacionales y menciona los métodos di-námicos para medir la masa de los cuerpos.

45

OBJETIVO BIBLIOGRAFÍA PARA EL PROFESOR

- Holton, G. Introducción a los conceptos y teorías de las Ciencias Físicas. Reverté, España,

1979.

La selección de tópicos de diversas áreas de la Física tiene como base la exposición del rumbo histórico que ha seguido el desarrollo de esta ciencia; de este modo, la revisión de teorías, experimentos, leyes, representaciones matemáticas de los fenómenos físicos y demás elementos que estructuran a la disciplina, se conjugan para dar un sentido didáctico a su enseñanza-aprendizaje. Asimismo, encontraremos en este texto problemas propios para ser resueltos por el alumno, básicamente en discusión en equipos.

- Jeans, J. Historia de la Física, FCE, México, 1969.

El texto muestra el desarrollo de la ciencia física compilando algunos de los momentos más importantes y ubicando en el tiempo y espacio del devenir de la humanidad, la evolución de dichos descubrimientos.

- March, R. H. Física para poetas. Siglo XXI, México, 1986.

El texto remite a la explicación de algunas materias que constituyen a la Física, como la mecánica clásica, la relatividad y la teoría cuántica, retomando el mundo social a través de la historia de la ciencia, para distinguir y asociar los fenómenos físicos a la realidad.

- Feymann, R. Lecturas de Física. Fondo Educativo Interamericano.

Aquí se relatan los aspectos particulares de tópicos de la mecánica y la relatividad. Está escrito de forma muy amena, rescatando profundamente los temas. El enfoque que da de la energía es diferente a los tratamientos comunes con que se aborda esta área de la Físi-ca. Es una lectura indispensable para cualquier profesor de Física.

46


- Flores, A. y Domínguez, H. Pioneros de la Física. Trillas, México, 1988.

Este libro plantea un recorrido por la historia de la Física, retomando para ello los principa-les conceptos de esta disciplina y las biografías de quienes han tenido las mayores aporta-ciones para su desarrollo. Así, en el libro se esbozan las teorías elaboradas por científicos como Arquímedes, Copérnico, Galileo, Newton y Einstein.

- Bennett, E.E. Física sin Matemáticas. CECSA, México, 1991.

El autor pretende explicar los conceptos físicos sin recurrir a los aspectos formales de esta ciencia. Aborda tópicos de Mecánica, Calor y Electricidad, y al final de cada capítulo, pre-senta preguntas accesibles a los alumnos. Este libro proporciona una lectura amena para los estudiantes, lo que facilita el contacto entre éstos y el entendimiento de la disciplina.

- González, J.A. y Núñez, N. Graficas y Ecuaciones Empíricas. Limusa, México, 1980.

Es un texto programado donde los autores muestran, de una manera clara y concisa, el manejo del lenguaje gráfico, la construcción de gráficas y el análisis de las mismas, dando todos los detalles finos necesarios para un buen procesamiento de datos experimentales. Excelente texto, sobre todo en la parte dedicada a las relaciones directamente proporciona-les entre variables.

- Gamow, George. Biografía de la Física. Biblioteca General Salvat, España, 1971.

Comentado en la sección destinada al alumno.

- Genzer, Youngner. Física. Publicaciones Cultural, México, 1980.

Aborda los conceptos de una manera poco tradicional y más apegada la reflexión crítica del estudio de la Física, conjugándolos con lecturas de comprensión en las que rescata el desarrollo histórico de la ciencia; incluye preguntas alusivas a cada uno de los temas.

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- Medina, Quintanilla. Fuerza y Equilibrio. Monografía. Editado por UAM-1

En esta monografía los autores tratan las leyes de Newton en sus aspectos más formales. Para la segunda Ley de Newton utilizan el cambio de velocidad sin considerar la acelera-ción. La segunda parte del texto se refiere a las aplicaciones de las Leyes de Newton a las condiciones de equilibrio. Se recomienda sólo para profesores.

- Haber-Shaim, et. al. PSSC Física. Reverté, España, 1981.

Este texto representa una parte importante del enfoque que subyace en el programa de es-tudios. Primero parte del análisis cualitativo para posteriormente, llegar a la formalidad, pa-sando a través de la experimentación y del análisis de ésta. Este libro rompe con el es-quema tradicional de la enseñanza de la física, e incluye actividades experimentales utili-zando unidades arbitrarias; además de que al finar de cada capítulo presenta preguntas y problemas numéricos interesantes y sugerencias de actividades en casa. Este libro se re-comienda para los profesores.

- Pérez, Héctor. Física 1 para Bachillerato. Publicaciones Cultural, México, 1986.

El texto ofrece la posibilidad de abordar la formalización de la ley del paralelogramo, ya que aporta además de los métodos prácticos, los métodos algebraicos. Contiene tablas de uni-dades conversiones que pueden ser de utilidad.

- Tarásov, L, Tarásova. A. Preguntas y problemas de Física. Mir-Moscú, URSS, 1984.

Los autores abordan el estudio de la Física a través de diálogos entre profesor y estudian-tes, haciendo énfasis en los conceptos físicos, sin olvidar en algunos casos el rigorismo matemático.

Es un libro recomendable para el profesor, sobre todo, en los temas de peso, caída libre y movimiento de los satélites y de los objetos.

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- Bravo, Silvia. ¿Usted también es aristotélico? Instituto de Geofísica, UNAM. México, 1990.

Comentado en la Bibliografía del alumno.

- French, A.P. Newtonian Mechanics. Norton, USA, 1965.

Aborda temas de mecánica, donde la definición operacional de peso se presenta de mane-ra explícita. Se hace necesario retomarlo para el logro de algunos objetivos del programa.

- Yavorski, B.M. y Pinski, A.A. Fundamentos de Física I. Mir-Moscú, URSS, 1983.

Este libro es el primer tomo de los dos de que consta la obra y es una exposición de toda la Física, considerando aspectos formales de ella e introduciendo algunos puntos de vista de los autores, en particular, del concepto de peso y de las ideas de la termodinámica. Dada la costumbre de los libros rusos, no propone problemas, pero los ejemplos que plantea son resueltos de una manera clara y concisa. Un libro que todo profesor debe leer.

- Maxwell, J.C. Materia y movimiento. Serie: Ciencia y Técnica. SEP-IPN, México, 1987.

En este libro el gran matemático inglés Maxwell explica las leyes de la Mecánica desde un punto de vista matemático y, por otra parte, proporciona elementos que coinciden con la vi-sión de la Física desarrollada en el programa. Es necesario aclarar que como se trata de una obra muy antigua, algunos términos hoy tienen otro nombre, sin embargo, la vigencia de sus conceptos permite que esta obra sea consultada tanto por el profesor para profun-dizar en algunos temas, como por el estudiante que empieza a manejar un lenguaje propio de la Física.

- Brandwein, Paul F. et. al. Física. La energía.- sus formas y sus cambios. Publicaciones Cul-

tural, México, l973.

Este libro se apega al enfoque propuesto en el programa, salvo porque no usa el sistema internacional de unidades de manera sistemática, plantea problemáticas desde el marco de la vida cotidiana y usa, como medio para estudiar los fenómenos, dispositivos con materia-les sencillos que pueden ser elaborados por los estudiantes.

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LA ELABORACIÓN DE ESTE PROGRAMA, QUE SISTEMATIZA E INTEGRA LAS APORTACIONES DE NUMEROSOS

MAESTROS, ESTUVO A CARGO DE LAS SIGUIENTE COMISIÓN:

ING. GERARDO VÁZQUEZ LEAL

FIS. JESÚS MARTÍNEZ CAMAÑO

FIS. SAMUEL BARRERA GUERRERO

LIC. EDNA ELENA GÓMEZ MURILLO

LIC. MARÍA EUGENIA MENDOZA CASTRO

ASESOR EXTERNO:

FIS. JUAN AMERICO GONZÁLEZ MENÉNDEZ FACULTAD DE CIENCIAS, UNAM LABOR MECANOGRÁFICA: LUZ GABRIELA URBÁN ROJAS

CAPTURA Y EDICIÓN: ALICIA BARRAGÁN SANTIAGO ROSARIO ALARCÓN HERNÁNDEZ DADC – 2004

FÍSICA I - Gob

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