Examen de Ciencias Básicas Comprometidos con la excelencia en la enseñanza de la ingeniería FORO...

Examen de Ciencias BásicasComprometidos con la excelenciaen la enseñanza de la ingeniería

FORO EXIM

BUCARAMANGA, 17 DE ABRIL DE 2015

Marco Conceptual Física

JEEMMY MENDIETA SANABRIA JAIRO LALINDE

BUCARAMANGA, 17 DE ABRIL DE 2015

Introducción

Comprometidos con la excelenciaen la enseñanza de la ingeniería

La física es la ciencia que investiga los conceptos fundamentales de la materia, la energía, el tiempo y el espacio, las interacciones entre cuerpos y las relaciones entre ellos.

La telefonía y la televisión están basadas en las propiedades de las ondas electromagnéticas y en las leyes de la mecánica cuántica, el motor de un auto en las leyes de la termodinámica, las aeronaves en las leyes de la termodinámica y todas en las leyes de la conservación de la energía.


En 2003 el ICFES convoca a universidades públicas y privadas, asociaciones de facultades, de profesionales y organizaciones académicas para elaborar propuestas para diseñar y construir los nuevos ECAES en 27 programas de pregrado: -Ciencias de la salud, -Ingeniería, arquitectura, urbanismo y afines y -Ciencias sociales y humanas.

En la actualidad se están evaluando alrededor de 43 programas académicos de pregrado en todo el país.


ACOFI, de acuerdo con su misión y visión, ha trazado lineamientos generales para la educación en ingeniería, ha trabajado en el desarrollo de varios instrumentos, como el Sistema SAAPI (Sistema de Acreditación y Asesoría para los Programas de Ingeniería), la actualización curricular para 14 denominaciones de ingeniería.

ACOFI también se ha encargado de organizar el EXIM.


2. Referentes nacionales


La enseñanza de la Física en las universidades nacionales se encuentra dentro la formación básica de todo ingeniero y forma parte de los estándares mínimos exigidos por el estado.

Esto se ve reflejado en el estudio realizado de los currículos de varios programas de ingeniería de algunas universidades nacionales e internacionales. La física siempre hace parte de los programas de estudio.


Para la elaboración de la prueba se tomo como referente nacional una muestra de las universidades con participación periódica en el EXIM y con programas acreditados.

Pontificia Universidad Javeriana Universidad Santo Tomás Universidad de San Gil Universidad de los Andes Escuela de Ingenieros Julio Garavito Universidad de AntioquiaUniversidad Industrial de Santander UIS Universidad EAFITUniversidad Distrital Francisco José de CaldasUniversidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD.


Los programas curriculares escogidos fueron aquellos que presentan mayor demanda en el país.

Ingeniería Industrial, Ingeniería Electrónica, Ingeniería Mecánica, Ingeniería Civil, Ingeniería Química, Ingeniería Ambiental, Ingeniaría de Alimentos Ingeniería de Sistemas


Observaciones:

El área de Física se imparte en todos los programas y el contenido está distribuido por semestres académicos en diversas formas. El número de semestres varía dependiendo del programa: para Ingeniería Electrónica se presenta en tres o cuatro semestres mientras que para Ingeniería de Sistemas sólo en dos. Otras mantienen tres semestres para todos sus programas.


La distribución de contenidos del área se realiza en cinco temas:Física Mecánica Física de OndasFísica de la Electricidad y Magnetismo Física ModernaFísica de Fluidos y Termodinámica

Como componentes comunes, entre los currículos analizados, se tienen la Física Mecánica y la Física electricidad y Magnetismo, sem 2 y 3.


En la mayoría de universidades el área se presenta en máximo tres semestres, con énfasis en tres de los cinco contenidos.

En algunos programas se combinan contenidos en el mismo semestre: Ondas con Física Moderna, Fluidos y Termodinámica con Ondas, Física de la Electricidad y Magnetismo con Ondas. La intensidad horaria (créditos) se mantiene igual con lo cual la cobertura temática es menor.


Agrupando todas las asignaturas de física de los diferentes programas estudiados, el énfasis en los contenidos se centra en un 80%, en la física mecánica y la física de la electricidad y magnetismo y en tan solo un 20 % en la física de los fluidos, ondas y moderna.


2. Referentes Internacionales


La física es fundamental en los criterios para la acreditación de los programas de ingeniería.

Esto lo destaca Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET: “Ingeniería es la profesión en la cual el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales obtenido por el estudio, la experiencia y la práctica se aplica conscientemente para desarrollar maneras de utilizar eficientemente, los materiales y las fuerzas de la naturaleza para el bien de la humanidad" (ABET, 2013).


En el análisis de los currículos internacionales de diferentes universidades internacionales se encontraron parámetros comunes con las universidades nacionales, tales como la distribución de los contenidos de la Física en los cinco temas arriba mencionados y la realización de combinaciones temáticas como la Física de la Electricidad y el Magnetismo con la Física Termodinámica y la Física de Ondas con Física Moderna.


En los currículos internacionales la formación en física tiene una dedicación de cuatro y hasta cinco semestres, en contraste con la formación en Colombia que máximo tiene tres semestres, lo que va en detrimento de la calidad de la educación que se imparte.


La muestra de las universidades internaciones se seleccionó de acuerdo a sus reconocimientos académicos a nivel de ingenierías.

Católica de Chile Universidad de Sao Paolo Universidad de Illinois Universidad de TexasUniversidad Nacional Autónoma de México UNAM

Los currículos analizados fueron los mismos que para las universidades nacionales.


Los programas de ingeniería analizados abarcan contenidos muy similares en lo que respecta al área de la física, teniendo como componentes comunes los contenidos en Física Mecánica y Física de la Electricidad y el Magnetismo.

Termodinámica, Ondas y Física Moderna están distribuidos de acuerdo a las tendencias académicas de cada universidad, es decir, al liderazgo de un programa de ingeniería con respecto a los demás.


3. Competencias


Capacidad de abstracción análisis y síntesis

Capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica

Capacidad para identificar, plantear y resolver problemas


3. Dominios Conceptuales


Un concepto es una representación o construcción mental de un objeto, un proceso, una interacción y demás experiencias, que permite la comprensión de nuestro entorno.

Un dominio conceptual será entonces el conjunto de representaciones, de procesos, de modelamientos y de contextos que, a pesar de sus diferentes expresiones, mantienen una identidad común entre ellas.


El conocimiento físico se caracteriza por estar fundamentados en los siguientes cuatro pilares:

1. Las leyes del movimiento.

2. Las leyes de conservación.

3. Parámetros de Estado de un objeto o un sistema

4. Reglas de medición y modelos físico-matemáticos


Leyes de movimiento


Describen la evolución temporal, espacial y térmica, de un objeto o sistema físico.

Los conceptos que aquí se describen responden al comportamiento dinámico de un objeto o sistema.

Este dominio conceptual se presenta en todos los temas.


El conocimiento y aplicación de las leyes del movimiento facilita la construcción de modelos físico-matemáticos que describen los cambios de estado de un cuerpo o sistema.

Este dominio conceptual responde a la pregunta:¿Cómo se mueve un cuerpo, qué causa su cambio de movimiento y cuáles son las consecuencias de este cambio de movimiento?


Contenidos específicos:

La descripción del movimiento uniforme y uniformemente acelerado en una y dos dimensiones, el movimiento circular uniforme y acelerado, la aceleración centrípeta, el uso de los sistemas de referencia, el conocimiento de la ley de la gravitación Universal, la teoría de la relatividad, la descripción de la ecuación de onda, la diferencia entre ondas viajeras y estacionarias, el proceso de amortiguamiento y el efecto de la resonancia, los osciladores armónicos, las aplicaciones del efecto Doppler,


La interacción como las fuerzas de rozamiento, de resistencia al movimiento en un fluido, la fuerza elástica, empuje o principio de Arquímedes, la tensión, las interacciones eléctrica y magnética, el movimiento de péndulos, el análisis de la conductividad térmica y el flujo de calor, la corriente eléctrica, las aplicaciones de las leyes de Ampere, de Lenz-Faraday, la interpretación de los fenómenos ópticos como la reflexión, refracción, interferencia, polarización, difracción y la transferencia de calor.


Las Leyes de conservación


La ley de conservación de la masa o ley de Lomonósov-Lavoisier, 1745 y 1785, estableció que la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.

La ley de conservación de la energía surgió en el siglo XVII, con la búsqueda de leyes que reflejaran la indestructibilidad del movimiento del Universo: la energía no se crea ni se destruye.

Albert Einstein (1905) planteo que energía y materia son mutuamente intercambiables.


La idea central es que algunas características permanecen constantes a pesar que un sistema cambie.

Existen características que permanecen invariantes en avances espaciales (conservación del momento lineal), avances temporales (conservación de la energía), rotacionales (conservación del momento angular) u otro tipo de simetrías abstractas (conservación de la carga eléctrica, la paridad).


Responde a la pregunta: ¿Qué parámetros permiten establecer relaciones entre objetos o sistemas antes y después de un cambio o evolución de estado?

Los contenidos comprenden la conservación del momento lineal, la conservación del momento angular, la conservación de la energía mecánica, la conservación de la carga, la conservación de la masa, las leyes de conservación de algunas propiedades de las partículas atómicas.


Los contenidos específicos son situaciones que involucran el impulso de una fuerza, la cantidad de movimiento, el momento angular, las colisiones, el concepto de energía potencial y de energía cinética, el trabajo, la relación entre el trabajo y la energía, el concepto de calor, la primera ley de la termodinámica, el principio de continuidad, el principio de Pascal, la energía potencial electrostática, las leyes de Kirchhoff y sus aplicaciones en circuitos simples como RC, RL y RLC, el principio de Bernoulli, el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la Ecuación de Schrödinger.


Parámetros de Estado de Un objeto o un sistema


Existe algo que nos permite identificar y distinguir un objeto o sistema de otro, una “propiedad”. Esta característica de los objetos o sistemas puede estar clasificada de diversas maneras: en generales y específicas, en extensivas e intensivas y en físicas y químicas.

Este dominio abarca los parámetros intrínsecos y extrínsecos de un cuerpo o sistema y la relación entre las variables que los caracterizan.


Se entiende como definición del parámetro de un cuerpo o sistema, la relación matemática entre variables tanto intrínsecas como extrínsecas, que revelan las propiedades del cuerpo o sistema en un momento o espacio dado. La capacitancia C = q / V Los cambios de estas dos variables no cambian la propiedad intrínseca del capacitor, su capacitancia.

Este dominio responde a la pregunta: ¿Cuáles son los parámetros intrínsecos y extrínsecos que definen el estado de un objeto o sistema?


Los contenidos específicos son: El estudio de los sistemas de coordenadas, la definición de masa, de carga, de densidad, el análisis del centro de masa, de momento de inercia, las definiciones de impedancia eléctrica, de capacitancia, de inductancia, el efecto de la resonancia (frecuencia natural, los conceptos de presión, temperatura, energía interna, escalas de temperatura, el calor específico, el calor latente, la viscosidad, los parámetros que rigen a los espejos y lentes, los conceptos de los números cuánticos.


Reglas de medición y modelos físico-matemáticos


A través de las reglas de medición, de normas, de procedimientos y de bases conceptuales para la construcción de modelos, se realizan todos los procesos experimentales que se requieren, para obtener resultados más confiables en el análisis y estudio de situaciones que el ingeniero debe afrontar. La confiabilidad en los datos obtenidos está basada en el manejo estadístico de las mediciones realizadas.


Con el modelamiento físico-matemático de situaciones problémicas se logra tener una idea más cercana a la realidad y se logra una aplicación más efectiva de las competencias antes descritas.


Un modelo vectorial de fuerzas permite la observación cualitativa de un resultado, una regresión lineal aplicada sobre resultados experimentales le permite la interpretación de la dependencia entre las variables involucradas, una gráfica de velocidad contra tiempo facilita la deducción de parámetros de movimiento de manera inmediata, una gráfica de potencial eléctrico en función del tiempo muestra el comportamiento de dispositivos eléctricos, la incertidumbre en la medición de un parámetro con respecto a otro.


Este dominio responde a la pregunta: ¿Qué tan confiable son los resultados obtenidos en un experimento y cuál es el modelo físico-matemático mejor ajustado y aproximado a la realidad del proceso estudiado?

Los contenidos generales comprenden sistemas y conversión de unidades, teoría de errores, distribuciones y tablas estadísticas, regresión lineal, diagramas de cuerpo libre, modelamiento a escala, el principio de Incertidumbre de Heisemberg.


Los contenidos específicos son: la definiciones de las unidades o patrones básicos, las unidades del sistema internacional, los métodos de conversión de unidades, las cifras significativas, la aplicación del algebra de vectores, las representaciones gráficas de relaciones dependientes del tiempo, del espacio, de los esfuerzos, de la temperatura y del voltaje, el comportamiento matemático entre parámetros intrínsecos y extrínsecos y el manejo de tablas estadísticas.


Ejemplos de PreguntasUn cuerpo de masa 50 ng y carga eléctrica de 10µC y velocidad v = ( 2000 i + 9000 j ). 1044 [ m/s ] es lanzado dentro de un campo magnético B = 20 j [T]. 1. La aceleración que experimenta el cuerpo cargado es: (a) Lineal (b) No experimenta aceleración (c) Centrípeta (d) Angular

CLAVE: c2. El valor del radio de curvatura de su trayectoria es: Utilice (R=m.v/qB) (a) 22,05 m (b) 9.22 m (c) 0 m (d) 5 m

CLAVE: d


Competencia específica 1.1.2. Capacidad de establecer los tipos de interacciones (fuerzas: gravitacional, electrostática, magnética, Principio de Arquímides, elasticidad, fricción) sobre un cuerpo o sistema y sus estados de equilibrio.

Competencia 1. 3. 3. Capacidad de analizar los diferentes tipos de flujo: de calor, eléctricos y magnéticos; las ondas electromagnéticas (reflexión, refracción interferencia, polarización, difracción).


Ejemplos de Preguntas

Se quiere mantener en reposo un bloque sobre una pared vertical con ayuda de una fuerza horizontal F.

1. El diagrama de cuerpo libre del bloque se representa como:


Para evitar que el bloque se deslizara por la pared, se aplicaron varias fuerzas (en Newton), las cuales se muestran en la siguiente tabla experimental:

La última casilla de valores (no calculada) se refiere a:a. La media aritmética b. El error absolutoc. El error relativo d. La desviación estándar CLAVE: c


F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 ΔF / F

10,02 10,41 9,80 9,95 10,23 10,61 9,91

3. Si el coeficiente de fricción estático entre el bloque y la pared es µ, el valor medio de la fuerza de rozamiento en Newton será:a. 10,126µ b. 10,125µ c. 10,12µ

d. 10,1µ CLAVE: d


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ACOFI, 40 añosComprometidos con la

excelencia en la enseñanza de la ingeniería

MUCHAS GRACIAS

1. El “Plan Básico” de 1966 propuso exámenes para profesionales a nivel de graduados


2. Plan de Gobierno de 1990 – 1994, el ICFES adelantó un proyecto que contempló la aplicación de exámenes de la educación superior en Medicina, Derecho y Contaduría


3. La Misión Nacional para la Modernización de la Universidad Pública, 1995, propuso “establecer la obligatoriedad de los exámenes de Estado para los egresados de pregrado”.


4. En 1998 proyecto para asumir la evaluación de profesionales de todas las especialidades de la ingeniería. Solo en 2002 se aplican pruebas en Ingeniería Mecánica, Medicina y Derecho.


5. El Plan Estratégico de Educación 2000 – 2002, consideró los Exámenes de Estado de Calidad de la Educación Superior como uno de los programas orientados al mejoramiento de la calidad y la transparencia en la educación superior


6. En 2003 el ICFES convoca a universidades públicas y privadas, asociaciones de facultades, de profesionales y organizaciones académicas para elaborar propuestas para diseñar y construir los nuevos ECAES en 27 programas de pregrado: -Ciencias de la salud, -Ingeniería, arquitectura, urbanismo y afines y -Ciencias sociales y humanas.


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