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UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN DIRECCION DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
MAESTRIA DE EDUCACIÒN EN FÌSICA
DISEÑO DE PROTOTIPOS EXPERIMENTALES ORIENTADOS AL APRENDIZAJE DE LA
FÍSICA
Prof. Ribeiro Carlos
Mérida, Noviembre de 2011
INTRODUCCIÓN
La Física es una ciencia natural, basada en
la observación y la experimentación, por lo
cual debe ser presentada a los estudiantes,
en las áreas de clase, con dispositivos o
instrumentos que permitan reproducir los
fenómenos que se tratan de explicar.
EJEMPLOS
a) La caída libre de un objeto o cuerpo
b) El principio de inercia
c) la tercera ley de Newton
d) El desplazamiento con mínima fricción
e) El plano inclinado
Todos ellos se realizan con la finalidad de
llamar la atención del educando y de
facilitarle la comprensión de los contenidos.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y utilizar prototipos experimentales elaborados con materiales de provecho, los cuales están orientados al aprendizaje experimental de la Física.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
a) Proponer el uso de prototipos elaborados con materiales de provecho para el aprendizaje experimental de la Física. b) Aplicar el diseño y uso de prototipos en los docentes que laboran en el área de la Física.
c) Proponer a los docentes el uso de
prototipos (construidos con material
de bajo costo ò de provecho) para la
enseñanza y el aprendizaje de la
Física.
JUSTIFICACIÓN
La presente investigación pretende: Efectuar prototipos para facilitar a los docentes de Física la enseñanza de dicha asignatura, la cual debe constituirse en fuente de motivación. Facilitar el desarrollo del aprendizaje constructivista, utilizando recursos didácticos y técnicas metodológicas que le proporcionen a los estudiantes, algo más que habilidades, conocimientos y actitudes.
JUSTIFICACIÓN
Además se puede decir que: los estudiantes de Física de la mayoría de las Universidades son capacitados con instrumentos altamente costosos en el laboratorio y una vez egresados se encuentran con otra realidad; al laborar en instituciones educativas donde carecen del espacio físico del laboratorio de Física y los materiales e instrumentos que deberían poseer los mismos.
JUSTIFICACIÓN Con estos prototipos se pretende facilitar a los educadores un recurso didáctico que contribuya en el proceso de orientación y aprendizaje de la Física, el ayudar a los estudiantes a comprender los significados de los conceptos físicos que se les presentan, al relacionar la asignatura con problemas cotidianos y situaciones reales, poniendo de manifiesto la utilidad de la Física como herramienta de trabajo.
METODOLOGÍA El desarrollo de actividades experimentales por medio de un conjunto de prototipos elaborados con materiales de provecho, permite que cada estudiante construya su propio material de experimentación. Aunado a esto, se reconoce la importancia del paradigma de la enseñanza sustentada en constructos y procesos (Ausubel, 1982) según el cual el conocimiento es reconstruido, reelaborado e incorporado a los esquemas previos del sujeto cognoscente durante el proceso de aprendizaje
METODOLOGÍA La metodología del proyecto de diseño y construcción de prototipos para la Didáctica de las Ciencias Naturales, en particular de la Física en el contenido mecánica, consta de tres etapas: I. Diseño del prototipo y Manual del Docente. II. Validación del Manual. III. Empleo y determinación de su efectividad en aula.
METODOLOGÍA En la etapa (I) se seleccionan los conceptos y constructos teóricos relevantes de acuerdo a los contenidos programáticos del currículo, en forma secuencial creciente de complejidad; se idean o proponen experiencias experimentales y/o prototipos experimentales que evidencien estos fenómenos y conceptos. De las posibles experiencias se toman aquellas que su construcción y diseño sean posibles con materiales de fácil adquisición y preferentemente de uso cotidiano, de suerte tal, que incluso puedan elaborarse en casa por los aprendices o estudiantes, con un mínimo de instrucciones y asesoramiento del docente-facilitador.
METODOLOGÍA Para asegurar la pertinencia de la experiencia o del prototipo en la significación conceptual de un determinado fenómeno, se procede a la validación del prototipo (etapa II) y de su manual por el método de juicio de expertos (Test de Likert). En la etapa (III) se emplea en el ejercicio docente del aula; allí la metodología de investigación cualitativa y de observador participante es fundamental para realizar ajustes al diseño y estrategia de instrucción, en el empleo de cada prototipo particular, con el fin de mejorar su implantación en los diseños venideros o en otros grupos de estudiantes.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
EL POTE OBEDIENTE Objetivo: Ilustrar la conversión de la energía cinética en potencial.
DISEÑO DE PROTOTIPOS CILINDROS RODANTES
Objetivo: Explicar el momento de inercia de un cuerpo y su dependencia de la distancia al eje de giro.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
EL AERODESLIZADOR Objetivo: Ilustrar el desplazamiento de un cuerpo con mínima fricción.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
OSCILADOR SENCILLO Objetivo: Demostrar que la amplitud de oscilación al aplicar una fuerza externa oscilante depende fundamental de la sincronización entre la frecuencia de la fuerza y la frecuencia propia del cuerpo que se coloca en oscilación.
OSCILADOR SENCILLO
Palabras Claves:
Resonancia, frecuencia, péndulo
Objetivo:
Demostrar, mediante un oscilador sencillo, que la amplitud de oscilación al aplicar una
fuerza externa oscilante depende fundamentalmente de la sintonización entre la
frecuencia de la fuerza y la frecuencia propia del cuerpo que se pone en oscilación.
Materiales:
Tres péndulos de diferente longitud
Tres trozos de hilo de nylon de diferente longitud
Tres pelotas del mismo tamaño
Un trozo de varilla
Tiempo de montaje:
Muy poco
Procedimiento:
En primer lugar, conviene poner en oscilación cada uno de los péndulos para
memorizar la frecuencia de oscilación de cada uno. A continuación dejaremos los
péndulos en reposo, y moviendo la varilla a la frecuencia propia de uno cualquiera de
los péndulos (de forma casi imperceptible con la mano) observaremos que ese
péndulo se pone en oscilación con gran amplitud, mientras los demás permanecen
prácticamente en reposo. Se puede repetir la demostración sintonizando el
movimiento de vaivén de la mano con la frecuencia propia de cualquier otro péndulo.
Hacer ver que, en resonancia, se obtiene una gran amplitud de movimiento del
péndulo pese a que la amplitud de la fuerza que se aplica a la varilla es muy
pequeña.
Sugerencias:
Es preferible hacer la demostración antes de explicar el concepto de resonancia, de
forma que sea posible un breve diálogo con los estudiantes sobre los motivos por los
que sucede el fenómeno. Por ejemplo, se puede preguntar por qué se mueve sólo un
péndulo cada vez y no los demás, dado que con la mano se está moviendo la varilla
de la que penden todos ellos. Se pueden discutir las causas del fenómeno y a
continuación explicar el concepto de resonancia.
Una vez explicado el concepto, dejar un solo péndulo (retirando o sujetando los
demás) y ponerlo en oscilación natural para que se observe la frecuencia propia.
Después mover la varilla con esa frecuencia y ver que se pone en oscilación. A
continuación mover la varilla a una frecuencia diferente (mucho mayor o mucho
menor) y verificar que ese péndulo no se mueve. Exagerar el movimiento de las
manos.
Explicar la analogía de este fenómeno con el de ser empujado por alguien cuando
nos columpiamos: el empuje se ha de dar con una frecuencia que coincida con la
frecuencia propia del columpio.
Complementar esta demostración a otras sobre resonancia como “ondas
estacionarias en una cuerda” o el video del puente deTacoma Narows.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
CARRO BOMBA Objetivo: Ilustrar los términos velocidad, tiempo y espacio .
DISEÑO DE PROTOTIPOS
BOTELLAS EQUILIBRISTAS Objetivo: Ilustrar equilibrio y centro de masa.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
EL PLATO GIRADOR Objetivo: Ilustrar la fuerza centrípeta y el principio de inercia.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
EL INERCIADOR Objetivo: Ilustrar el principio de la inercia.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
PLANO INCLINADO Objetivo: Ilustrar el movimiento en un plano inclinado con cuerpos de diferentes masas.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
EL LIBRE Objetivo: Ilustrar la caída libre de un cuerpo.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
COHETE DE BOTELLA Objetivo: Ilustrar las leyes de newton y lanzamiento de proyectiles.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
LA CUNA DE NEWTON Objetivo: Ilustrar la conservación de la energía en los choques.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
PRENSA HIDRAULICA Objetivo: Ilustrar la ley de Pascal y el funcionamiento de los gatos hidráulicos.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ACELEROMETRO
Objetivo: Ilustrar la aceleración del sistema mediante la medición del ángulo de inclinación.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
DINAMÓMETRO Objetivo: Ilustrar la medida del peso de un cuerpo.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
INDEPENDENCIA DE MOVIMIENTOS Objetivo: Ilustrar el movimiento balístico y el movimiento parabólico de proyectiles.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
MAQUINA DE PRESIÓN Objetivo: Ilustrar la diferencia entre fuerza y presión al aplicar una fuerza sobre una gran área.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
PISTA DE CARRO Objetivo: Ilustrar el movimiento circular.
DISEÑO DE PROTOTIPOS
CARRO PROPULSADO POR AIRE Objetivo: Ilustrar la ley de acción y reacción.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MOTORES ELÉCTRICOS
Objetivo: Ilustrar los principios físicos que intervienen en el funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua.
DISEÑO DE PROTOTIPOS GENERADOR ELÉCTRICO
Objetivo: Ilustrar la producción de energía eléctrica.
DISEÑO DE PROTOTIPOS SIMPLE GENERADOR ELÉCTRICO
Objetivo: Ilustrar la producción de energía eléctrica.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ELECTROSCOPIO
Objetivo: Ilustrar la acumulación de cargas eléctricas.
DISEÑO DE PROTOTIPOS JAULA DE FARADAY
Objetivo: Ilustrar la distribución de cargas eléctricas en un conductor.
DISEÑO DE PROTOTIPOS PÉNDULO ELÉCTRICO
Objetivo: Ilustrar la inducción y atracción electrostática.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ELECTROIMÁN
Objetivo: Ilustrar la producción de campos magnéticos.
DISEÑO DE PROTOTIPOS CIRCUITO ELÉCTRICO
Objetivo: Ilustrar los diferentes tipos de circuitos eléctricos.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MANOMETRO EN FORMA U
Objetivo: Ilustrar la presión hidrostática.
DISEÑO DE PROTOTIPOS JERINGA DE PASCAL
Objetivo: Ilustrar las presiones de un líquido.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ELASTICIDAD DE LOS GASES
Objetivo: Ilustrar la Ley de Boyle y la de Charles.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MÁQUINA DE ONDAS
Objetivo: Ilustrar las ondas transversales.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MÁQUINA DE ONDAS
Objetivo: Ilustrar las ondas longitudinales.
DISEÑO DE PROTOTIPOS CAJA DE
BERNOULLI Objetivo: Ilustrar el principio de Bernoulli.
DISEÑO DE PROTOTIPOS CAÑON DE GAUSS
Objetivo: Ilustrar la transferencia de energía potencial a cinética entre las esferas.
DISEÑO DE PROTOTIPOS TELESCOPIO
Objetivo: Ilustrar la combinación de las lentes convergentes y divergentes .
DISEÑO DE PROTOTIPOS CALEIDOSCOPIO
Objetivo: Ilustrar la reflexión múltiple de la luz .
DISEÑO DE PROTOTIPOS PERISCOPIO
Objetivo: Ilustrar la refracción de la luz.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MÁQUINA DE
EFECTOS VISULAES
Objetivo: Ilustrar el cromatismo o composición de la luz, la combinación de varios colores y la fatiga que experimenta la retina.
DISEÑO DE PROTOTIPOS MANÓMETRO
Objetivo: Ilustrar la medición de la presión de un gas encerrado en un recipiente.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ESTROBOSCOPIO
Objetivo: Ilustrar como se pueden ver objetos que se mueven como si estuvieran quietos.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ESPEJOS
ANGULARES
Objetivo: Ilustrar la formación de imágenes por espejos planos.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ESPECTROSCOPIO
Objetivo: Ilustrar las diferentes longitudes de ondas y el cromatismo de la luz.
DISEÑO DE PROTOTIPOS LENTES
Objetivo: Ilustrar las lentes divergentes y convergentes, y como refractan la luz.
DISEÑO DE PROTOTIPOS ESPEJOS CURVOS
Objetivo: Ilustrar que todos los rayos luminosos que inciden sobre un espejo parabólico paralelamente a su eje óptico convergen en un punto llamado foco real cuando el espejo es cóncavo y divergen en un punto llamado foco virtual cuando el espejo es convexo.
DISEÑO DE PROTOTIPOS LA CENTRIFUGADORA
Objetivo: Ilustrar la fuerza centrifuga y sus efectos, los cuales son causados por la inercia.
DISEÑO DE PROTOTIPOS LA CATAPULTA
Objetivo: Ilustrar las máquinas simples.
RECOMENDACIONES Fomentar proyectos científicos que implique el diseño y construcción de prototipos experimentales con materiales de provecho que permitan visualizar de una manera más sencilla los fundamentos de la física en general. Estos diseños facilitan su operación y manipulación por parte de los estudiantes. Este tipo de actividades incentivan a los jóvenes y adultos a indagar sobre fenómenos particulares, promoviendo el desarrollo científico en las instituciones educativas.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Alvarenga, B y Máximo, A. (1999). Física general con experimentos sencillos. Editorial Oxford. México. Falcón, N. (1992). Laboratorio de electromagnetismo, con materiales de bajo costo y fácil adquisición. Hewitt, P. (1998). Física conceptual. Manual de laboratorio. Editorial Adisson Wesley. México. Hewitt, P. (2004). Conceptos de física. Editorial Limusa. México. Pérez , E. (2007). Diseño de prototipos experimentales orientados al aprendizaje de la óptica. Facultad de Ciencias de la Educación. Universidad de Carabobo, Venezuela. Ribeiro, C. (2010). 145 Actividades para propiciar el aprendizaje experimental de la Física. Folleto del Taller. Universidad de Carabobo. UNESCO. (1956). 700 Science experiments for everyone. The United Nations Educational, Scientific, and Cultural Organization. Londres. UNESCO. (1966). Manual de la UNESCO para la enseñanza de la ciencia. Editorial Sudamericana. Argentina. UNESCO. (1975). Nuevo manual de la UNESCO para la enseñanza de la ciencia. Editorial Sudamericana. Argentina. UNESCO. (1986). Sourcebook for science in the primary school. The association for science education. UNESCO. (1999). Science & Technology Education. The association for science education. UNESCO. (1999). Low cost equipment for science and technology education Libro 1 y Libro 2. The association for science education. Paris.