Programa de Estudios, 3^er Semestre, Licenciatura en Educación Secundaria /
Especialidad / Física / Energía: Cambio y Conservación /
Bloque I. La energía: un concepto central de la Física

Este bloque tiene como propósito que el alumno normalista explique por qué la energía es un concepto central de la Física y cómo este concepto permite acercarse tanto al estudio de la disciplina como al desarrollo de habilidades, valores y actitudes en relación con la Física. Asimismo, que analice los procesos de transferencia, transformación, conservación y degradación asociados a la energía y los utilice como formas de aproximarse al mundo de fenómenos físicos. Se analiza la presencia de la Física mediante una selección de fenómenos cotidianos.

El bloque parte del estudio de diversos cambios en diferentes cuerpos e introduce la idea de que todo cambio lleva aparejada la modificación de una propiedad de esos cuerpos. Bajo la premisa de que los cambios en un cuerpo no se producen solos, sino que siempre han de producirse a costa de que otro cuerpo o sistema cambien, se introduce del concepto de interacción, como causante de dicho cambio. Cabe señalar que el tema de las interacciones también será desarrollado en sus aspectos más generales en la asignatura La Ciencia de las Interacciones entre la Materia y la Energía, por lo cual aquí se parte ya de que los alumnos poseen algunas referencias sobre el mismo.

La introducción temprana de la interacción se hace frente a la tendencia a interpretar los cambios por medio de una causalidad simple y unidireccional, a la vez que prepara a los alumnos para la introducción posterior de los conceptos de transferencia, conservación y degradación asociados a la energía.

Al analizar el concepto de transferencia, se retoma y fortalece la idea de interacción entre sistemas, así como la noción de que toda la energía que se intercambia en sus diferentes formas es la misma, en cantidad, que se contabiliza previamente a la interacción y que sólo pasa de un sistema a otro.

Mediante el análisis de la transformación de la energía y de la eficiencia de algunos procesos de conversión, se introduce la idea de degradación de la energía y se aplica a algunos casos particulares como la segunda ley de la termodinámica y la "muerte térmica" del universo.

Se motiva a los estudiantes normalistas a analizar, de manera breve, el proceso de construcción de los aspectos fundamentales relacionados con el concepto de energía ligados a la metodología de trabajo de algunos personajes científicos que aportaron diferentes aspectos para la conformación de la idea moderna de energía. También se discuten los abusos del lenguaje cotidiano al referirse al término y se asocia este hecho con una oportunidad para introducir los temas relacionados con la energía en las clases de la escuela secundaria.

Temas

1. Importancia de la energía en la actualidad. Historia de una idea que transformó al mundo.
2. El concepto de energía. Tipos y fuentes de energía. Mecanismos de transmisión de la energía.
3. Transformaciones de la energía. Principio de conservación de la energía. Degradación de la energía.
4. Explicación de diversos fenómenos físicos a partir del concepto de energía.

Bibliografía básica

AAAS (1997), "Tecnología y ciencia", en Ciencia: conocimiento para todos, Oxford University Press/SEP (Biblioteca del normalista), México pp. 25-27.

Ben-Dov, Yoav (1999), "Energía y entropía", Invitación a la física, Barcelona, Editorial Andrés Bello, pp. 87-106.

Feynman, Richard (1987), "¿Qué es la energía?" y "Otras formas de energía", en Las lecturas de física de Feynman, vol. 1, México, Addison-Wesley Iberoamericana/Sitesa, pp. 4.2-4.3 y 4.9-4.12.

Gil Pérez, Daniel, Carlos Furió Más y Jaime Carrascosa Alís (1995), "Introducción al bloque ‘Comprender y orientar los cambios de la materia’", en Comprender y orientar los cambios de la materia 1. La energía: la invención de un concepto fructífero. Curso de formación de profesores de ciencias, Madrid, MEC/UNED/UAB, pp. 5-14.

Hecht, Eugene (1990), "Cinética y potencial" y "Termo", en Física en perspectiva, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 189-203 y 211-236.

Hewitt, G. Paul (1999), "Energía", "Piensa y explica" y "Piensa y resuelve", en Física conceptual, México, Pearson/Addison-Wesley Longman, pp. 103-117, 120-121.

Hewitt, G. Paul y Paul Robinson (1998), ejercicios 21, 22, 23, 26, 27 y 28, en Manual de laboratorio de Física, México, Pearson/Addison-Wesley Longman, pp. 73-78 y 85-96.

Sagan, Carl (1998), "La mirada de Dios y el grifo que gotea", "Emboscada: el calentamiento del mundo" y "Huir de la emboscada", en Miles de millones. Pensamientos de vida y muerte en la antesala del milenio, Barcelona, Grupo Zeta (SineQuaNon), pp. 47-64 y 131-178.

Bibliografía complementaria

AAAS (1997), "Transformaciones de la energía", "Flujo de materia y energía", "Los recursos energéticos y su uso", "Relación entre la materia y la energía" y "Aprovechamiento de la energía", en Ciencia: conocimiento para todos, México, Oxford University Press/SEP (Biblioteca del normalista), pp. 50-53, 68-70, 118-122,154-155 y 165-167.

Chimal, Carlos [comp. y trad.] (1998), "La primera ley de la termodinámica, Sadi Carnot" y "La segunda ley de la termodinámica, Rudolf J. Clasius", en Las entrañas de la materia. Antología de relatos científicos, México, Alfaguara (Alfaguara juvenil), pp. 78-82 y 83-91.

Garritz, Andoni y J. Antonio Chamizo (1994), "La energía" y "El cambio", en Química, Wilmington, EUA, Addison-Wesley Iberoamericana, pp. 22-29.

Sánchez, Ana María, María Trigueros y Julia Tagüeña (1999), Energía. Historias de la ciencia y la técnica, México, Dirección General de Divulgación de la Ciencia-UNAM.

Actividades sugeridas

1. De manera previa a la clase leer "Emboscada: el calentamiento del mundo" y "Huir de la emboscada", de Sagan. Destacar las ideas más importantes y explicarlas en términos de la transformación y la conservación de la energía.

A manera de inicio, revisar el programa Introducción a la Enseñanza de: Física, así como sus notas y productos de ese curso, a fin de identificar las diferentes actividades y momentos en los que se hizo mención del término energía. Comentar en el grupo:

• El bloque, el tema y el propósito fundamental con el que se trabaja el concepto.
• El propósito con el que se hace mención del término.
• Las puntualizaciones y comentarios que se hacen sobre el término.
• Las conclusiones que obtuvieron de las actividades con las que se relaciona el término.

Leer los propósitos de los bloques de este curso, identificar las relaciones que se encuentran con el antes mencionado y expresarlas en un texto que desarrolle una respuesta a la pregunta "¿Por qué iniciar la revisión de la Física que se estudia en la escuela secundaria con el estudio de la energía?". Aprovechar la información, las lecturas extraclase y presentar los escritos al maestro.

2. Dividirse en equipos y seleccionar una de las siguientes preguntas para discutir y comentar ante el grupo. En ambas preguntas definir el sistema y sus componentes, las interacciones que se llevan a cabo y explicar las transferencias y transformaciones de energía que ocurren:

• Cuando el vapor de agua se condensa sobre los vidrios de la cocina, forma gotitas de agua que son más frías que el vapor. ¿Qué pasa con la temperatura del aire a su alrededor?
• ¿Por qué la velocidad de un satélite artificial puesto en órbita elíptica cambia por efecto de la fuerza de atracción gravitacional? ¿Sucede lo mismo si la trayectoria del satélite es circular?

De ser necesario consultar los textos que se sugieren en la bibliografía complementaria o los libros de la biblioteca.

Tema 1. Importancia de la energía en la actualidad. Historia de una idea que transformó al mundo

3. Como actividad extraescolar formar equipos para elaborar una ponencia y nombrar un representante que participará, en clase, en un debate que se titule "La energía y el mundo contemporáneo". Aprovechar la información de las lecturas extraclase para discutir las conclusiones generales sobre el tema. Llegar a conclusiones generales sobre el mismo.

Para la elaboración de la ponencia que será usada en el debate leer el siguiente escrito que forma parte del libro Energía. Historias de la ciencia y la técnica, de Sánchez, Trigueros y Tagueña.

Energía... Cuántas veces hemos oído esta palabra. Aunque la usamos muy a menudo, ¿podríamos decir qué es?

La energía es un concepto complejo de definir pero muy útil. Lo utilizan casi todas las ciencias y es parte también de nuestro vocabulario cotidiano.

¿Hace cuánto tiempo que hablamos de energía? Estamos tan habituados a hacerlo que pensamos que el concepto es muy antiguo, pero no es así. Los antiguos griegos usaban la palabra "energía" para referirse a la eficacia, el poder o la virtud para obrar. Ni Galileo ni Newton, siglos después, conocían el concepto en la forma en que hoy lo manejamos. No fue sino hasta mediados del siglo XIX cuando varios científicos que hacían experimentos diferentes en diversos lugares encontraron que fenómenos que hasta entonces se pensaban ajenos unos a otros, como el calor y el movimiento, el movimiento y la luz, la afinidad química y el calor, y otros más, se relacionaban entre sí. Es más, estos fenómenos podían transformarse uno en el otro y en esa transformación podía definirse un concepto abstracto que da cuenta de algo que se conserva: la energía.

La energía es un concepto unificador en la naturaleza y por su carácter abstracto es más fácil de definir en términos de sus manifestaciones.

La energía se manifiesta de muchas formas que pueden intercambiarse: mecánica, calorífica, eléctrica, química, magnética, nuclear. Las distintas formas de energía se transforman unas en otras, y lo más importante es que en ese proceso la cantidad total de energía se conserva. A este fenómeno se le llama principio de conservación de la energía.

El descubrimiento del principio de conservación de la energía representó un momento importante en la historia de las ciencias. Su nacimiento permitió descubrir que varias de ellas, que hasta ese momento se estudiaban por separado, constituían parte de un todo: la Física. Desde su nacimiento este principio ha estado ligado íntimamente a la tecnología. Su aplicación permitió el desarrollo de nuevas industrias que cambiaron totalmente nuestra forma de vida.

El concepto de energía ha sido un motor del desarrollo de la ciencia y la tecnología. Su papel ha sido fundamental y sólo mediante un conocimiento profundo de este concepto y de sus consecuencias podremos comprender y manejar los efectos de la tecnología sobre el ambiente y la sociedad.

En clase y una vez concluido el debate elaborar un mapa conceptual sobre el concepto de energía. Aprovechar el escrito inicial, el mapa conceptual y las conclusiones de las lecturas realizadas para debatir en plenaria acerca de uno de los siguientes temas:

• ¿Qué enseñar acerca de la energía y por qué?
• ¿En qué errores frecuentes puede incurrir el profesor al enseñar el tema de energía en la escuela secundaria?
• ¿Por qué puede considerarse a la energía como un concepto unificador?

Presentar los mapas ante el grupo y comentarlos. Enunciar conclusiones y ponerlas por escrito. Guardar este trabajo ya que será retomado más adelante.

4. Como pare del trabajo extraclase investigar por equipos la evolución histórica del concepto de la energía. Guiarse por los conceptos asociados a los científicos que se señalan entre paréntesis:

• El fuego (Aristóteles) y la vis viva (Leibnitz).
• La energía (Young) y la fuerza (Newton).
• La potencia (Carnot) y la entropía (Clausius).
• El calórico (Lavoisier) y su refutación (Conde de Rumford).

Para esta investigación apoyarse en las colecciones La ciencia desde México, Viajeros del conocimiento y en los textos de la biblioteca de la escuela normal.

En equipo, analizar la relación entre ciencia, matemáticas, ingeniería y tecnología. Leer "Tecnología y ciencia" de AAAS para fundamentar sus opiniones sobre esta relación dinámica. Escoger uno de los siguientes momentos de la historia del desarrollo de la tecnología asociada al aprovechamiento y transformación de la energía. Investigar qué fuente de energía es la que se transforma hasta lograr producir movimiento, así como la forma en que funcionan cada uno de los siguientes ejemplos:

– Los molinos de viento.
– Máquinas del renacimiento (de Da Vinci).
– Las máquinas de vapor.
– Los motores de combustión interna.
– La turbina.

Construir una línea del tiempo en la que ubiquen a lo largo de los siglos los diversos momentos en que se idearon cada uno de los inventos, así como los conceptos analizados al inicio de la actividad. Presentar al grupo las producciones.

Para terminar, elaborar algunas conclusiones sobre la relación entre la Física y la tecnología y acerca del desarrollo de conocimientos nuevos a partir de los problemas tecnológicos surgidos de las necesidades humanas.

Tema 2. El concepto de energía. Tipos y fuentes de energía. Mecanismos de transmisión de la energía

5. De manera previa a la clase escoger por equipos dos de los libros autorizados para su uso en la escuela secundaria de Introducción a la Física y a la Química y Física I, para conocer cómo se desarrolla el concepto de energía. Analizar y comentar las diferencias con el construido anteriormente.

– ¿Cuál de las definiciones les parece que es más amplia?

– ¿Qué tipos de ejemplos se proponen para ayudar a conceptualizar a la energía?

– ¿Qué cambios o adecuaciones le harían al libro? ¿Y a la definición que construyeron?

– ¿Cuáles de los siguientes procesos incorporan al desarrollo: transferencia, transformación, conservación y degradación?

Escoger a algunos compañeros del grupo para responder a las preguntas anteriores y elaborar, entre todos, conclusiones acerca de ellas.

Redactar en forma individual en una tarjeta una explicación del concepto de energía y guardarla para un uso posterior. Discutir y comentar si es correcto el uso en una clase de Física del término energía en las siguientes expresiones comunes.

– Hoy me levanté con mucha energía.
– Es tan malo que luego luego se siente la mala energía.
– Voy a las pirámides a recibir energía positiva.
– Ya es hora de la comida, siento que me falta energía.
– Vivimos en una época de crisis de energéticos.
– ¡Apaga la luz para no malgastar la energía!

¿Algunas de las expresiones anteriores se relacionan con las ideas desarrolladas a lo largo de la historia para caracterizar el concepto de energía? Buscar alguna identificación.

Leer de manera individual "¿Qué es la energía?", de Feynman. Regresar sobre la definición elaborada en la tarjeta y los comentarios vertidos en la discusión, a fin de enriquecer la definición elaborada.

6. Leer antes de clase "¿Qué enseñar acerca de la energía y por qué?", de Gil. Enriquecer el mapa conceptual construido sobre este concepto agregando los conceptos anteriores. Dar un ejemplo de un fenómeno cotidiano en el que se hagan explícitos dichos procesos.

También como actividad extraclase leer "Cinética y potencial", de Hecht y "Energía", de Hewitt. Hacer un concentrado de la información de los conceptos y cantidades físicas, de sus representaciones matemáticas y de las unidades en que se miden dichas magnitudes. También observar "Conservación de energía" y "Energía potencial" de la colección de videos Universo mecánico (volumen 4), con la finalidad de fortalecer la información de los textos.

Dividirse por equipos y resolver las preguntas y ejercicios de las pp. 105, 107, 109, 111 y 116 del libro Física conceptual, de Hewitt. Discutirlas por equipo y escoger algunos compañeros para que expongan sus soluciones ante todo el grupo. Permitir el diálogo y la discusión cuando las respuestas sean poco claras o existan argumentos incompatibles.

Para la discusión y solución de aquellas situaciones que resulten complicadas, consultar los textos trabajados y otros sugeridos en las bibliografías básica y complementaria.

7. Como actividad extraclase realizar los ejercicios de la sección "Piensa y explica", del libro de Hewitt, pp. 120 y 121. Asimismo, distribuirse por equipo los experimentos 21, 22 y 23 del Manual de laboratorio de Física, de Hewitt. Preparar el material que se utilizará en dicho experimento.

En clase, discutir las preguntas de la sección "Piensa y explica" y llegar a acuerdos sobre lo planteado por Hewitt.

Realizar los experimentos y nombrar un relator por equipo que anotará el procedimiento que aplicaron. Es importante considerar que para la resolución de las preguntas planeadas hay que realizar una serie de pasos:

• Analizar el problema y formularlo de manera que la actividad experimental contribuya a solucionarlo.
• Elaborar hipótesis y estimaciones de lo que se espera obtener, así como de las magnitudes y cantidades que se medirán y calcularán.
• Contrastación de lo esperado con lo obtenido.
• Comunicación de resultados.

Poner, a la vista de todos, los resultados de cada equipo y escoger un equipo para que exponga ante el resto del grupo los razonamientos, procedimientos, datos obtenidos, registros y conclusiones de los experimentos y de las preguntas planteadas en cada ejercicio. Permitir el debate sobre las diferencias y analizar las causas por las cuales no se obtuvieron los mismos resultados.

Analizar los procedimientos empleados para resolver las situaciones experimentales realizadas anteriormente a fin de revelar la forma en que se han vinculado los contenidos al desarrollo de habilidades, valores y actitudes, así como a cuáles en especifico se ha favorecido con este tipo de trabajo. Considerar el papel que jugaron en la resolución de las situaciones:

– Las ideas sobre energía.

– La resolución de problemas como estrategia para evaluar el desarrollo cognitivo de los alumnos.

– La experimentación como forma para favorecer el desarrollo de habilidades del pensamiento como la elaboración, comprobación y argumentación de posibles hipótesis y el diseño de modelos.

– Las actividades prácticas para la clarificación del valor de la tolerancia, del trabajo en equipo y de la posibilidad de ser convencido por argumentos de otros compañeros.

Tema 3. Transformaciones de la energía. Principio de conservación de la energía. Degradación de la energía

8. Leer, como actividad extraclase, del capítulo "Termo", de Hecht, la introducción y los apartados 8.1 a 8.4 y "La mirada de Dios y el grifo que gotea", de Sagan. Aprovechar la información de las lecturas, para discutir en plenaria:

• La diferencia entre la energía mecánica, la térmica y la radiante.
• La extrapolación del principio de conservación de la energía mecánica a la energía térmica y a la energía radiante.
• Algunos de los mecanismos de transmisión de la energía asociados con el calor y con las ondas (luz y sonido).
• Las limitaciones de la generalización directa de la definición mecánica de energía (capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo) al relacionarla con la energía térmica.

Realizar los siguientes experimentos y resolver las siguientes preguntas en equipo y, después, escoger algunos compañeros para que propongan su solución a cada cuestión ante todo el grupo, haciendo énfasis en el diálogo y la discusión acerca de la forma en que se usa el concepto de energía. Cada equipo escogerá un experimento y una pregunta.

• Del Manual de laboratorio de Física, de Hewitt, los experimentos 26, 27 y 28, y del libro de Hecht los experimentos 2, 3 y 4 de la pp. 236 y las preguntas de las secciones: 8.1 (4, 5), sección 8.3 (1, 6), sección 8.4 (6, 7).

Para la discusión y solución de aquellas situaciones que resulten complicadas, consultar los textos trabajados y otros sugeridos en las bibliografías básica y complementaría. En todos los ejemplos de conservación de la energía definir el sistema en el que se conserva la energía, así como los componentes del sistema que intercambian energía.

9. Leer extraclase "Otras formas de energía", de Feynman, "Energía y entropía", de Ben-Dov, y el apartado 8.5 de "Termo", de Hecht. Hacer un resumen por punteo con la información de cada texto. En clase observar los videos "Electricidad: el invisible río de energía" y "Ondas: energía en movimiento", de la colección Física elemental, a fin de identificar en equipo, en los ejemplos del siguiente cuadro, algunos tipos, características y procesos de transformación de la energía.

Debatir en clase sobre el término de la degradación de la energía, como pérdida de la capacidad de ser aprovechable. ¿Esto implica que no se cumpla el principio de conservación de la energía? ¿Se puede definir un sistema en el que el principio de la energía no se cumpla? ¿Depende del sistema o del tipo de interacción energética? Argumentar.

Con la información que se tiene, actualizar las definiciones de energía iniciadas en el tema 1 así como completar el mapa conceptual del término. Escoger algunos compañeros para que expongan su definición final y su mapa terminado, explicando los agregados y cambios introducidos.

Tema 4. Explicación de diversos fenómenos físicos a partir del concepto de energía

10. De manera previa investigar en libros de Física de la biblioteca el concepto de eficiencia energética. También distribuirse los siguientes dispositivos para investigar, discutir y hacer un diagrama en el que se muestre el uso, la transformación y la conservación en las siguientes aplicaciones tecnológicas. Por equipo presentar en carteles los resultados de su investigación:

• Celdas solares para calentar agua.
• El tostador de pan.
• La puesta en órbita de un satélite artificial.
• El automóvil.

Escoger un equipo por ejemplo para explicar y exponer su funcionamiento en términos de la energía, de sus transformaciones y de la eficiencia energética.