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TEMAS RELACIONADOS

Objetivos generales.

o        Valorar la relación que existe entre la obtención, transmisión y utilización de la energía y los aspectos económicos, políticos, y culturales de la sociedad, así como algunas medidas que contribuyan al ahorro de energía y a la preservación del medio ambiente.

o        Mostrar una actitud crítica, de profundización e investigación, en particular en lo que se refiere a la interpretación de cambios naturales o producidos por el hombre desde el punto de vista energético y a la utilización habitual de términos como producción y consumo de energía, calor y trabajo.

o        Participar en el planteamiento y resolución de problemas, empleando para analizar diversas situaciones de la vida práctica los conceptos de energía, forma de energía, disipación, degradación y la idea de transformación y conservación de la energía..

o        Manifestar una visión global sobre del tema de la energía, exponiendo acerca del momento histórico en que surgieron las ideas fundamentales sobre ella, los principales científicos que contribuyeron al desarrollo de este concepto, la relación que tiene su obtención y utilización con el denominado "problema energético" y con la contaminación del medio ambiente.

o        Utilizar durante el estudio de la utilización, transmisión y obtención de la energía, elementos de métodos y formas de trabajo característicos de la actividad científica: análisis del interés que tiene investigar la temática; planteamiento y argumentación de suposiciones, por ejemplo, acerca de la conservación de la energía, de los factores de que dependen la energía cinética, el trabajo, el calentamiento; cálculo de cantidades de energía; elaboración de informes; comunicación de resultados; etc.

Objetivos instructivos.

  • Describir cambios o transformaciones, naturales y producidas por los seres humanos que puedan ser de interés.
  • Caracterizar el concepto de energía y describir situaciones de la vida cotidiana donde se ponga de manifiesto que los sistemas poseen energía.
  • Exponer la importancia que tiene el estudio del tema de energía.
  • Describir, con ayuda de ejemplos las principales formas (cinética, potencial gravitatoria, radiante) y fuentes de energía (combustibles, el agua embalsada o en movimiento, los vientos, el Sol, etc.)
  • Argumentar las ecuaciones para el cálculo de las energías cinética y potencial gravitatoria y utilizar dichas ecuaciones a fin de analizar diversas situaciones.
  • Exponer el contenido básico de la ley de transformación y conservación de la energía y utilizarla durante el análisis de múltiples situaciones.
  • Identificar en situaciones concretas las tres vías mediante las cuales se transmite la energía: trabajo, calentamiento, y radiación.
  • Argumentar la ecuación para el cálculo de la cantidad de energía que se requiere para elevar la temperatura de un cuerpo mediante calentamiento, Q = C m ?T y emplearla en situaciones concretas.
  • Caracterizar el concepto de calor específico y utilizarlo para analizar situaciones concretas.
  • Describir cómo se determinó la equivalencia entre cantidades de energía transmitidas a un cuerpo mediante trabajo y mediante calor.
  • Estimar en joule la cantidad de energía puesta en juego en determinadas situaciones concretas: al tibiar agua para bañarse, al preparar una taza de infusión, durante la combustión de un fósforo, etc.
  • Exponer el principio básico de transformación de energía interna de los combustibles en energía útil y describir algunos casos en que se emplea dicho principio.
  • Caracterizar, ayudándose de ejemplos, los conceptos de energía útil y de disipación y degradación de la energía.
  • Argumentar la necesidad del  “ahorro” de energía a nivel mundial y, en particular, en nuestro país.
  • Exponer en qué consisten las direcciones principales de “ahorro” de energía y proponer medidas concretas para el “ahorro” de energía en la casa.
  • Caracterizar el concepto de fuentes renovables de energía, así como exponer sus ventajas frente a las fuentes convencionales y las limitaciones para su amplia utilización en la actualidad.
  • Caracterizar el concepto de potencia y utilizarlo para analizar diversas situaciones.
  • *Utilizar la ecuación para el cálculo de la potencia, P = E/t, en situaciones concretas: para estimar la potencia de la hornilla de la casa, de una persona común durante un día de trabajo, etc.

Temáticas.

Energía.

o      Formas y fuentes de energía

o      Cálculo de la energía cinética y potencial

o      Ley de transformación y conservación de la energía

Transmisión y obtención de energía.

o      Trabajo

o      Calor

o      Relación entre trabajo y calentamiento

o      Transformación de energía interna en energía útil

o      Ahorro de energía

o      Fuentes de energía

o      Potencia

 

IDEAS ESENCIALES Y ALGUNAS CONSIDERACIONES METODOLÓGICAS

Antecedentes

Los antecedentes de la unidad se encuentran en la enseñanza primaria. Entre los contenidos que se estudia en esta enseñanza se encuentran: las fuentes de energía, formas de manifestarse la energía, y algunos de los procesos de transmisión de la energía como son: el trabajo mecánico y el calor. También se hace hincapié en la necesidad de ahorrar energía, en particular la eléctrica. El estudio de todos estos aspectos se realiza  cualitativamente. También constituye antecedentes de este tema lo estudiado en el octavo grado acerca del movimiento mecánico.

Considerando que la energía caracteriza la capacidad de los sistemas para producir cambios, independientemente de su naturaleza, tiene relación con todas las asignaturas de ciencias que estudian en el grado. Además, con relación a la matemática, es importante el significado de operaciones básicas con números naturales y fraccionarios (cálculo de la energía suministrada a un sistema, el trabajo, la energía cinética, la energía potencial, potencia, la cantidad de calor). Considerando lo anterior la siguiente tarea puede conducir la reflexión.

Confecciona un listado de cambios que tienen lugar en nuestro planeta, naturales y producidos por los seres humanos, que consideres de importancia para la vida del hombre. Reflexiona acerca del origen de ellos.  

Esta tarea es central en el estudio del tema. Conviene llamar la atención acerca de que los sistemas se caracterizan por determinadas propiedades y que, por tanto, hablar de cambios en los sistemas significa hablar de cambios en sus propiedades, ya sean cuantitativos o cualitativos.

Entre los cambios naturales pudieran estar: los ciclones, los terremotos, el crecimiento de los seres vivos, la sucesión de estaciones a lo largo del año, las variaciones de temperatura, los cambios de estado de agregación del agua, etc. Entre los producidos por los seres humanos: la construcción de viviendas y enseres domésticos, la elaboración de alimentos, el preparado de las tierras para la agricultura, la transformación y producción de diversos materiales, el empleo de múltiples equipos, etc.

Durante el análisis del listado confeccionado es importante poner de manifiesto lo siguiente:

a) Los modos mediante los cuales se originan cambios en los sistemas pueden ser, en general: aplicación de fuerzas, calentamiento y radiación.

b) Dichos modos han sido utilizados por los seres humanos a lo largo de la historia de la humanidad, desde sus orígenes. Por ejemplo, aplicación de fuerzas durante la confección de útiles de piedra, madera, metal y el trabajo de innumerables máquinas; empleo del calentamiento, y en particular del fuego, para preparar alimentos y diversos útiles; utilización hoy día de la radiación electromagnética en la radio, la televisión y, en general, las comunicaciones; etc.

c) Independientemente de la naturaleza de los cambios y del modo en que se producen, en todos se pone en juego energía (Esta se encuentra en las entrañas de la Tierra, en nuestro cuerpo, en los alimentos, en los combustibles, en el Sol, en las moléculas y átomos, etc.).

d) Cierto cambio producido en un sistema lleva siempre aparejado algún otro cambio, en otro sistema o en el mismo.

Quizás parezca temprano utilizar ya aquí el término energía. No obstante, debe tenerse en cuenta que dicho término resulta familiar a los alumnos. En la vida diaria constantemente aparece asociado a actividad, a los combustibles, el trabajo de las fábricas, la generación de electricidad, etc. Durante los últimos años los alumnos se han relacionado con él a través del Programa de Ahorro de Energía (PAE).

Esta tarea contiene ya en forma incipiente varias ideas fundamentales acerca de los cambios relativos a la naturaleza: los modos mediante los cuales se producen y el concepto de energía. Estas ideas deben resaltarse.

Esta unidad tiene una importancia vital en la formación de una cultura energética y ambientalista en los estudiantes. Deben desarrollarse actividades,  siempre que el contenido lo propicie, investigativas, de reflexión, encaminadas a estos fines.

En este tema constituye una guía el capítulo 4 del libro de texto de Física “Energía. Su utilización, transmisión y obtención” Especial atención tiene la comprensión de la caracterización de la energía, pues para que se produzcan cualquier tipo de cambio es necesario que se ponga en juego cierta cantidad. La energía se destaca desde una concepción microscópica hacia una macroscópica. Se parte de la caracterización de la energía de las partículas que componen a los cuerpos para llegar a la energía de los propios cuerpos. Los conceptos fundamentales que se tratan parten de la conceptualización de la temperatura, la energía cinética de las partículas que componen a los cuerpos y el equilibrio térmico, para continuar con la definición de calor, la relación entre este y el trabajo y las formas en que el mismo se propaga. De ahí que se propone que en el tiempo disponible después de observada la videoclase dedicada al estudio de la energía y sus formas fundamentales, se realice la siguiente actividad:

 Ilustrar detalladamente, mediante ejemplos concretos, el concepto de energía estudiado. Atendiendo al origen de los cambios identificar los diferentes tipos de energía.

Esta actividad es central en el estudio del tema, de ahí la importancia de realizarla. Conviene destacar que los sistemas se caracterizan por determinadas propiedades y que por tanto, hablar de cambios en los sistemas significa hablar de cambios en sus propiedades. El profesor debe velar que en la relación de cambios aparezcan tanto naturales como producidos por los seres humanos. Un  texto a consultar es el libro “Ahorro de energía y respeto ambiental bases para un futuro sostenible” que se encuentra en las bibliotecas escolares, este  debe ser un material de consulta obligatorio para la autopreparación en cada tema correspondiente a esta unidad. De ahí podrán extraer múltiples actividades, además de encontrar información relacionada con el tema.  También en esta unidad es necesario  dedicarle tiempo a la resolución de problemas cualitativos y cuantitativos sobre los diferentes aspectos que se abordan.

Especial énfasis debe hacerse en la ley de conservación y transformación de la energía; su carácter universal ofrece una oportunidad para la generalización y la sistematización de los contenidos de esta unidad con los de unidades anteriores, evidenciando que los sistemas y los cambios pueden ser estudiados por dos métodos, uno basado en las fuerzas como determinante de las características del movimiento mecánico de los cuerpos y otro basado en la ley de conservación y transformación de la energía que determina cuáles cambios son posibles en la naturaleza. Su carácter universal hace que se patentice en todos los cambios que tienen lugar en la naturaleza  y constituye también una oportunidad para abordar desde el punto de vista físico cambios en sistemas típicos de otras ciencias naturales

La ley de conservación y transformación de la energía se basa en una idea con una lógica muy sencilla y consiste en que si existe una cantidad de algo que permanece constante, es decir, que no varía, y se conoce una parte de esa cantidad, entonces es posible determinar el resto que no conocemos.

 La obtención, transmisión, consumo, ahorro de energía y los daños que esto ocasiona al medio ambiente es un aspecto dentro de la unidad con mucha importancia y actualidad, por cuanto es uno de los problemas globales y territoriales a los que se enfrentan las sociedades contemporáneas.

 El profesor debe tratar estos contenidos con especial dedicación a través de la orientación del trabajo independiente de los alumnos, de la explotación de las posibilidades que brindan las empresas así como los recursos de que dispone la localidad para sensibilizar a los estudiantes con los problemas energéticos locales y convertirlos en protagonistas del ahorro energético y de la lucha por la preservación del medio ambiente, como vía directa para lograr la formación y consolidación de actitudes en este sentido. Estos temas se pueden tratar en seminarios integradores.

Sistema de conceptos y leyes  

Conceptos: energía, fuentes de energía, energía cinética, energía potencial, energía interna, trabajo mecánico, calor, calor específico, energía útil, potencia, fuentes renovables y no renovables de energía, energía útil.

Leyes: Ley de transformación y conservación de la energía.

Habilidades Generales

  • Planteamiento de problemas.
  • Acotamiento de situaciones problémicas.
  • Emisión de suposiciones.
  • Búsqueda de información.
  • Elaboración de estrategias para la resolución de problemas.
  • Diseño de experimentos, medición de magnitudes y análisis de las fuentes de incertidumbre.
  • Comprobación de las suposiciones o hipótesis.
  • Valorar las implicaciones del estudio realizado para CTS.
  • Elaboración, comunicación y discusión de los resultados.

Métodos y formas de trabajo

  • Elaboración conjunta
  • Trabajo en colectivo
  • Trabajo independiente
  • Problémico

Actividades Experimentales

  • los procesos de transmisión de la energía: conducción, convección
  • determinación de la cantidad de energía transmitida a un cuerpo mediante calor.
  • transformación de la energía potencial interna de alcohol en energía cinética de determinado cuerpo.

EVALUACIÓN

Invariantes  que no deben dejar de evaluarse en la asignatura de acuerdo a lo establecido en la 226/03 sobre los contenidos de la unidad.

  • Caracterizar el concepto de energía y sus formas principales al describir situaciones de la vida cotidiana donde se ponga de manifiesto que los sistemas poseen energía.
  • Argumentar la importancia de los recursos energéticos y la necesidad del ahorro de energía a nivel mundial y, en particular, en nuestro país.
  • Caracterizar y localizar  diferentes fuentes de energía renovable y no renovable en el mundo y en Cuba.
  • Valorar la importancia de la protección del medio ambiente y las medidas que pueden tomarse para minimizar los efectos que provoca su  deterioro, a partir del conocimiento de algunas fuentes de contaminación.

Valorar la explotación de las fuentes de energía en Cuba y en el mundo a través de la caracterización las transformaciones energéticas que tienen lugar en los sistemas usados en la industria y en las diversas ramas de la técnica atendiendo a su eficiencia energética y su potencia

PROPUESTA DE ACTIVIDADES A REALIZAR

1. Indaga sobre la época en que se elaboraron las principales ideas acerca de la energía y sobre los científicos que las desarrollaron.

2. ¿Puede determinado cuerpo poseer energía cinética respecto a unos cuerpos y no poseerla respecto a otros? Argumenta tu respuesta.

3. ¿Puede determinado cuerpo poseer energía cinética respecto a unos cuerpos y no poseerla respecto a otros? Argumenta tu respuesta.

Comentario. Hay situaciones en que un objeto está en reposo respecto a otro y, a partir de determinado momento, uno de ellos, o los dos, adquiere cierta velocidad, poniendo así de manifiesto que poseían energía o capacidad para producir cambios, en forma latente o potencial. El caso más común de esto es el de un cuerpo que sostenemos a cierta altura sobre el suelo. Basta  con que lo soltemos para que adquiera cierta velocidad, e incluso se produzcan otros cambios, en el aire que lo circunda, en sí mismo y en el cuerpo con el que choca. Otro ejemplo de lo anterior es el de un arpón en una pistola de caza submarina que está lista para disparar.

4. Ilustra mediante ejemplos la realización de cambios a partir de la energía potencial de dos o más cuerpos.

5. ¿Puede un conjunto de dos o más cuerpos que no interactúan entre sí poseer energía potencial? Argumenta tu respuesta.

 6. Un tipo de energía potencial es la energía potencial “gravitatoria”, es decir, debida a la gravedad. ¿De qué magnitudes depende dicha energía? Ilustra tus suposiciones mediante ejemplos de la vida. Planifica y lleva a cabo alguna actividad práctica a fin de apoyar dichas suposiciones.

7. Calcula las energías cinética respecto al suelo de: a)un ciclista común, b) un corredor de 100 m de alto rendimiento, c) un auto que se mueve por una carretera. Compara dichos valores de energía con el de una persona que camina normalmente.

8. Calcula la energía potencial gravitatoria de una persona que trabaja a cierta altura en un poste de la red eléctrica.

Comentario. Para resolver este ejercicio se debe estimar la altura del poste, la cual coincide con la altura a la que se encuentra la persona que trabaja.  

 9. Compara la energía potencial gravitatoria correspondiente a un cuerpo situado a cierta altura sobre la superficie de la Tierra, con dicha energía en caso que el cuerpo se encontrara a la misma altura sobre la superficie de la Luna.

10. Eleva un cuerpo a cierta altura sobre el suelo y luego déjalo caer. Determina el valor de su velocidad al llegar al suelo. Puntualiza las suposiciones que has tenido que hacer para resolver el problema. ¿Qué sucede con la energía al quedar el cuerpo en reposo en el suelo?

11. Sintetiza mediante un esquema la cadena de transformaciones de energía que tiene lugar en los siguientes casos: a) el ciclo del agua, b) la formación de vientos, c)la fotosíntesis de las plantas.

12. Analiza las siguientes situaciones y decide en cuáles se realiza trabajo: a) se lanza un bloque sobre la superficie de una mesa horizontal y al cabo de cierto tiempo se detiene; b) un bloque se encuentra en reposo apoyado sobre una mesa; c) se levanta una maleta desde el piso hasta cierta altura; d) se calienta un cuerpo a la llama de un mechero; e) la Tierra se mueve alrededor del Sol; f) un cuerpo está cayendo desde cierta altura; g)se golpea con un martillo un pedazo de metal y este eleva su temperatura; h)un bloque se mueve sobre una mesa horizontal sin fricción con velocidad constante; i)un cuerpo de metal colocado al sol eleva su temperatura; j)una maza choca con una pared y la destruye.

13. Experimental. Se lanza un bloque sobre una mesa horizontal y luego de recorrer cierta distancia se detiene. Auxiliándote de la ecuación W = F. d, determina la velocidad con que fue lanzado el bloque. Sugerencia: puedes de terminar la fuerza de fricción entre el bloque y la superficie de la mesa empleando un dinamómetro. Analiza las principales fuentes de error en el resultado obtenido ¿Pudiera emplearse un procedimiento similar para determinar la velocidad que llevaba un vehículo antes de frenar bruscamente?

14. Ilustra mediante una representación esquemática, la transmisión de energía que tiene lugar al poner en contacto dos cuerpos con diferentes temperaturas.

15. Experimental. Por medio de una banda de papel suspende un cilindro metálico. Coloca el cilindro así suspendido en la llama de una hornilla y observa lo que ocurre. Repite la experiencia, pero esta vez, utilizando un cilindro de madera. ¿Cómo se explica lo observado?

16. Determina en kcal, aproximadamente, la cantidad de energía que hace falta para: a) preparar una taza de café “instantáneo”, b) preparar un cubo con agua tibia. ¿Serán estas cantidades de energía iguales a las que en cada caso se ponen en juego en la hornilla? Argumenta tu respuesta.

17. Indaga acerca de las radiaciones que pueden resultar particularmente perjudiciales para la salud de los seres humanos y los efectos que ellas producen.

18. Determina la cantidad de energía que diariamente recibe cada metro cuadrado de suelo cubano en forma de radiación solar. Calcula a cuantos kilogramos de petróleo equivale dicha cantidad. (De cada kilogramo de petróleo pueden obtenerse alrededor de 48 000 000 J).

Dato útil. Considera que en Cuba, cada centímetro cuadrado de superficie horizontal de suelo recibe diariamente, como promedio, unos 1 800 J de energía en forma de radiación solar.

19. Hemos visto que la energía se transforma y se transmite de unos sistemas a otros, pero que se conserva. ¿Por qué entonces se habla de la necesidad de  “ahorrar energía”?

20. Propón una serie de medidas que contribuyan a “ahorrar” energía en la casa.

Bibliografía

Colectivo de autores. Enseñanza de la física elemental. Editorial Pueblo y Educación

Colectivo de autores. Programa de Ciencias Naturales  para Secundaria Básica octavo  grado.