Luz y Calor

Nivel: Primaria (8-10 años) | Autor(es): Discovery Box | País: Francia | Fecha de publicación: 21/01/2013

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Referencias didácticas

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Propósitos

 

Los estudiantes experimentan con el calor producido por diferentes
longitudes de un hilo metálico conectado a la batería.
Luego construyen y ponen a prueba un fusible eléctrico y reconocen los
efectos de la corriente eléctrica en los conductores.


Descripción

 

Esta actividad complementa el trabajo de la sesión anterior sobre
resistencia eléctrica.
En este ejercicio se elimina el bombillo para conectar el hilo de esponjilla
directamente a la batería.
Los estudiantes podrán observar tres fenómenos: luz, calor y fusión, los
tres debidos al paso de una corriente eléctrica muy alta a través de un
segmento corto de hilo de esponjilla.
Esta actividad tiene un ejercicio opcional que puede proponerse a manera
de reto y consiste en calentar agua con electricidad. Esta es una de las
aplicaciones que los estudiantes deben descubrir en la exploración de este
fenómeno.
La exploración continúa en la casa con el rastreo de otros artefactos que
utilicen resistencias eléctricas. Hay tres usos identificados en clase:
calentamiento, iluminación y protección eléctrica (fusibles).
Para fortalecer la analogía que hemos trabajado en las sesiones anteriores
se propone una búsqueda de “resistencias hidráulicas” en la casa.

 

Las siguientes orientaciones disciplinares están escritas para apoyar
conceptualmente el trabajo del profesor o la profesora.
La descripción del trabajo con los estudiantes en el aula está descrita en la
siguiente sección: Orientaciones Didácticas.
 
La resistencia eléctrica y el calor
Cuando circula corriente eléctrica por un material, parte de la energía del
movimiento de los electrones (energía cinética) se transforma en calor
debido al choque entre las moléculas del material por el que circulan.
Este choque eleva la temperatura del material y ocurre
el fenómeno conocido como efecto Joule, en honor a su
descubridor el físico británico James Prescott Joule, que
lo estudió en 1860.
En este caso haremos pasar una corriente eléctrica alta
(entre 1 y 2 amperios), a través del hilo de esponjilla.
Esta corriente producirá tanto calor que el material
llegará al punto de incandescencia, e iluminará como lo
hace un bombillo.
Si la corriente eléctrica se deja pasar por más tiempo el calor en el hilo
aumentará, tanto que podría alcanzar la temperatura de fusión y se
rompería el hilo. Este es el principio de funcionamiento del fusible
eléctrico.
La siguiente ecuación define el efecto Joule en la resistencia eléctrica. Se
incluye para ilustrar el comportamiento del fenómeno y no para emplearla
durante la actividad.
 

 

Es deseable un espacio de trabajo amplio, bien iluminado y con mesas y
sillas dispuestas para trabajar en equipos de 4 estudiantes.
Las actividades de inicio y de cierre se realizan con todo el grupo. Es
importante contar con un espacio abierto, organizado en círculo o similar
para que todos los participantes puedan verse.

Sugerencias Didácticas

 

 
Esta actividad ocurre en cuatro momentos:
El primero para recordar la sesión anterior sobre cambios de resistencia
eléctrica y aplicaciones comunes.
El segundo de exploración de ideas para trabajar con una analogía de
resistencia eléctrica.
El tercero de experimentación con un hilo metálico que funciona como
resistencia eléctrica.
El cuarto de cierre y reflexión en el que se obtienen conclusiones de la
experimentación y se reflexiona sobre algunas aplicaciones prácticas.
Para recordar la sesión anterior
Para iniciar la actividad el profesor o la profesora organizará los equipos de
4 estudiantes y asignará los roles de líder, vocero, secretario y
encargado de materiales.
En esta primera parte se revisa la actividad “para explorar el entorno” de
la sesión anterior y se comenta con todo el grupo las siguientes relaciones.
·  ¿Cómo cambia la corriente eléctrica con las variaciones de la
resistencia eléctrica?
·  ¿Cómo cambia la resistencia eléctrica según la longitud y el
número de hilos de esponjilla?
o ¿Qué ocurre con la corriente eléctrica si el hilo es más
largo?
o ¿Qué ocurre con la corriente eléctrica si se colocan más
hilos en paralelo?
·  De los aparatos registrados en la casa, ¿cuáles usan resistencias
eléctricas?
·  ¿Qué usos de las resistencias eléctricas descubrieron?, ¿Se
pueden clasificar?

 

Exploración de ideas
Una última pregunta sobre la analogía hidráulica:
·  Recuerda el ejemplo del tanque con agua y
piensa en la siguiente situación: se cambia
el tubo de salida de agua por uno mucho
más delgado, de paredes muy poco
resistentes y al mismo tiempo se aumenta
la cantidad de agua que está en el tanque.
o ¿Qué puede pasar con el tubo si
trabaja en estas condiciones?
Pueden explorarse otros referentes cotidianos sobre las características de la
resistencia eléctrica a través de las siguientes preguntas:
·  ¿Por qué los bombillos se calientan después de que han estado
encendidos por un tiempo?
·  ¿Qué crees que ocurre para que la plancha o el horno eléctrico
se calienten empleando electricidad?
·  ¿Conoces otros elementos eléctricos que se calienten?,
¿Cuáles?
 
La experimentación
Para empezar el profesor o la profesora recordará las normas de seguridad
de la caja Discovery Energía y Electricidad.
En este caso hay que tener especial cuidado con las recomendaciones de
corto circuito. El profesor o la profesora deberá estar muy atento durante
toda la parte de experimentación.
Cada equipo deberá reasignar los roles de sus integrantes y recordar las
tareas que le corresponde a cada uno. El encargado de los materiales
deberá llevar a su mesa 1 batería, 1 bombillo, 1 roseta, 3 caimanes, 1
tabla, 6 alfileres y 2 hilos de esponjilla de aproximadamente 30 cm. cada
uno.
El primer ejercicio de cada grupo será armar la estructura que aparece
dibujada a continuación:
 
 
Se trata de clavar los seis alfileres sobre la tabla, en las esquinas y en el
centro, de manera que el hilo de esponjilla se pueda enredar desde una
esquina hasta la otra, en zigzag.
 
El profesor o la profesora debe indicar la manera de hacer las pruebas:
Para probar con el bombillo:
Se conectan en serie: la batería, el hilo de esponjilla (de extremo a
extremo) y un bombillo. El bombillo debe encender con poca intensidad,
igual que en la sesión anterior.
 
 

 

Para probar sin el bombillo:
En esta actividad el hilo de esponjilla se calienta por el paso de la
corriente eléctrica. El profesor o la profesora deberá estar muy atento para
que las pruebas se realicen con cuidado. A continuación se proponen los
pasos a seguir para esta prueba:
·  Primero se retira el bombillo y se prueba solamente el hilo de
esponjilla, conectado de extremo a extremo, a la batería.
·  Los estudiantes deben esperar un poco menos de un minuto y
luego pueden tocar el hilo de esponjilla con los dedos o con la
palma de la mano.
o ¿Sienten que la temperatura del hilo cambió?
·  Si aún no notan cambio, puede saltarse el primer segmento de
hilo y conectar el caimán al segundo alfiler.
o ¿La temperatura del hilo cambió?
·  Si aún no notan muy bien que el hilo está calentándose,
pueden pasar al tercer alfiler, pero SOLO hasta ahí para esta
prueba.
o ¿Por qué el hilo está más caliente?
o ¿Los otros componentes también se calientan?
·  NOTA: Cuando no estén probando deben desconectar el
circuito de la batería.
La experimentación debe tener una pausa para poder discutir algunas
preguntas.
El vocero del equipo sigue siendo el encargado de responder, para lo cual
el profesor o la profesora deberá dar un tiempo corto, después de hacer la
pregunta, para que todo el equipo la discuta y el vocero responda:
·  ¿Por qué se calienta el hilo de esponjilla?
·  ¿Qué tanta corriente eléctrica está pasando por el hilo?
·  ¿Los caimanes y la batería se calientan?, ¿por qué?
·  Sin probar aún, ¿qué creen que pasaría si el hilo se hace aún
más corto?
En la siguiente parte de esta actividad se quiere probar la resistencia
máxima del hilo de esponjilla al paso de la corriente. Es importante que
los estudiantes tengan claro que NO se debe tocar el hilo en esta
prueba.
 
Sólo para observación:
·  Deben conectar los caimanes a un solo segmento del hilo de
esponjilla y esperar unos segundos.
o Después de un tiempo, ¿qué pueden observar que pasa
con el hilo? (Hasta este punto sólo puede ocurrir que el hilo
se caliente tanto que salga vapor)

 

·  Luego deben acercar aún más los caimanes. Medio segmento o
quizás un poco menos harán que el hilo se caliente tanto que
llegue a la incandescencia. Todos podrán ver brillar el hilo
durante algunos segundos, aunque es posible que el hilo se
rompa.
 
¡Esta es una prueba en la que hay que tener mucho cuidado de no
tocar el hilo y de no acercarlo a ningún otro objeto!
Cuando finalice la experimentación se deben desconectar todos los
circuitos e incluso pedir de regreso las baterías. El profesor puede iniciar
una charla final con estas preguntas:
o ¿En esta prueba pasa más o menos corriente eléctrica que
en la prueba anterior?
o ¿Los caimanes y la batería se calientan?, ¿por qué?
o ¿Por qué brilla el hilo?
o ¿Para qué podría ser útil este fenómeno?
o ¿Por qué se rompe el hilo después de un tiempo?, ¿esto
también podría tener un uso?
El profesor o la profesora y los estudiantes deben concluir sobre la relación
entre la distancia del hilo, la cantidad de corriente eléctrica y las dos
manifestaciones que se producen: calor y brillo.
 
Una prueba adicional
Al finalizar las pruebas anteriores se puede hacer una corta experiencia de
aplicaciones del fenómeno de calentamiento eléctrico.
·  Para esta prueba se necesitará un vaso con agua por equipo.
La cantidad de agua no debe ser mayor a 5ml, que es
equivalente a la carga máxima de una jeringa mediana.
·  Los equipos deben sumergir en el agua un segmento de hilo de
esponjilla sujetado en los extremos por dos caimanes. El hilo
debe ser de aproximadamente 1 centímetro.
·  Cuando el agua cubra completamente el hilo se puede
conectar el circuito a la batería.
En esta prueba no brillará el hilo de esponjilla, pero
los estudiantes notarán que después de un tiempo
habrá un cambio en la temperatura del agua.
Los equipos deben rastrear este cambio de
temperatura. Si poseen un termómetro podrán hacer
el registro de las temperaturas cada minuto. Si no
poseen termómetro pueden hacer un seguimiento
cualitativo.
Al final es importante discutir sobre el tipo de aplicaciones que se pueden
desarrollar utilizando este fenómeno.
·  ¿En dónde han visto que se utilizan?
·  ¿Para qué otras aplicaciones podría usarse?
 

Materiales de trabajo

  • 1 batería
  • 1 bombillo
  • 1 roseta
  • 3 caimanes
  • 1 tabla
  • 6 alfileres
  • 2 hilos de esponjilla de aprox. 30 cm