TALLER 2 Guía de actividad “Explorando el magnetismo” Modulo Enseñanza de las ciencias de la tierra.

Francisco Rosales R. ESTUDIANTE

LUZ AMALIA ORDOÑEZ PROFESOR ASOCIADO

MAESTRIA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

FACULTAD DE CIENCIAS UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA II- 2010

Introducción

Un resumen a esta guía

El objetivo de esta guía de actividad, "Explorando el magnetismo”, los alumnos

actuarán como científicos descubriendo los campos magnéticos y el

electromagnetismo a través de la investigación y la medición.

Incluido en el comienzo de cada sesión esta un resumen de la sesión, una lista de

estándares que la sesión cubre, y una lista de materiales requeridos para la sesión.

Cada sesión está dividida en varias actividades, con cada actividad explicada por el

profesor. En la sección de material de la experiencia, se puede encontrar

experiencias de ciencia para las lecciones. Un glosario puede ser encontrado

después de la sección de la experiencia, y al final se recomienda encontrar

diferentes recursos para comprar materiales y para aprender más sobre el

magnetismo.

Las actividades en esta guía están hechas como base para guías adicionales que

permiten a los estudiantes aprender acerca de la importancia de los campos

magnéticos en las ciencias espaciales. Por ejemplo, en Explorando el magnetismo

en el viento solar, los estudiantes aprenden sobre la corriente de partículas

cargadas provenientes del Sol -llamado viento solar.

La ciencia

Alrededor de 1000 D. C, la brújula magnética fue descubierta en China. Pero no

fue hasta 1600 que William Gilbert publico "De Magnete", declarando que la Tierra

es un imán gigante. Más recientemente, los científicos han encontrado campos

magnéticos asociados con los planetas y el sol. Es ahora bien conocido que el

campo magnético del Sol se extiende más allá de los planetas. Las partículas

cargadas van en espiral alrededor de este campo magnético a medida que avanzan

más allá de los planetas con el campo magnético. Las partículas cargadas forman

el viento solar. Este viento, junto con el campo magnético del Sol, interactúa con el

campo magnético de la Tierra. Esta compleja interacción provoca corrientes

eléctricas que fluyen a través de la atmósfera superior de la Tierra / ionosfera,

causando la Luces del Norte y del Sur (auroras) irradian verde y rojo. Estas

corrientes pueden inducir fuertes corrientes en las redes de energía,

ocasionalmente se funden los fusibles y se paralizan grandes sectores de las

ciudades en las latitudes altas.

El sol a veces almacena de tanta energía en su campo magnético que, cuando las

partes localizadas del campo cambian rápidamente de forma, enormes cantidades

de energía son liberados. Estos rápidos cambios en el campo magnético solar

causa las erupciones solares y también pueden acelerar las partículas del viento

solar casi a la velocidad de la luz. Esta tremenda liberación de energía algunas

veces se asocia con grandes presiones en las pulsaciones del viento solar que

interactúan con el campo magnético de la Tierra, acelerando partículas a energías

extremadamente altas en los cinturones de radiación, es decir, los cinturones de

Van Allen, en el campo magnético de la Tierra.

El viento solar de partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz puede

dañar a los astronautas no protegidos por su nave espacial. Las partículas de alta

energía en los cinturones de Van Allen pueden dañar o destruir los satélites

artificiales. Con el fin de entender y predecir estos fenómenos, necesitamos

entender que son los campos magnéticos.

Usando la guía

La guía proporciona períodos de sesiones y actividades sobre el magnetismo para

inspirar a los estudiantes a aprender cómo la electricidad y el magnetismo están

conectados, y cómo aplicar este conocimiento. El objetivo es que los estudiantes

desarrollen una comprensión más profunda del electromagnetismo. La primera

sesión de la guía está diseñada para enseñar a los estudiantes que los imanes

tienen un campo de fuerza invisible conocido como campo magnético, y que este

campo tiene un efecto que puede ser medido alrededor de un imán utilizando una

brújula. Hay dos actividades en esta sección. La actividad 1 explora el magnetismo

y utiliza la brújula para mapear las líneas de campo magnético y sus direcciones.

La actividad 2 utiliza limaduras de hierro para visualizar las líneas de campo

magnético en dos y tres dimensiones.

Todas las actividades están basadas en la investigación. Un beneficio de tal

investigación es enseñar a los estudiantes cómo un científico desarrolla

investigación haciendo preguntas, probando sus ideas, y colaborando con otros.

Otro beneficio de las actividades basadas en investigación es comprometiendo a los

estudiantes en el proceso de aprendizaje de las ciencias.

Estas sesiones pueden ser usadas como una unidad sobre el magnetismo en la

Tierra o en un curso de Ciencias Espaciales, un curso de Ciencias Físicas, o como

complemento al currículo del área de ciencias existente. Las actividades pueden ser

usadas juntas o por separado, dependiendo del tiempo disponible por el profesor.

Estimamos que la enseñanza de las actividades en cada sesión en la guía pudiera

tomar dos semanas (diez días) en un grado decimo con 50 minutos de clase. La

guía entera se puede hacer en dos días con 50 minutos por clase.

Magnetismo

“La ciencia son hechos; de la misma manera que las casas están hechas de

piedras, la ciencia está hecha de hechos; pero un montón de piedras no es una

casa y una colección de hechos no es necesariamente ciencia.” - Jules Henri Poincare

Resumen de la sesión

Los estudiantes aprenderán acerca del campo magnético de un imán de barra. Al

final de esta actividad, los estudiantes aprenderán que las barras de imán tienen

dos "polos", y que los polos similares se repelen y los polos diferentes se atraen.

Ellos sabrán que los campos magnéticos son invisibles, pero pueden ser medidos y

que tienen dirección. Ellos aprenderán que una brújula se compone de una

pequeña barra magnética que se alinea con fuertes campos magnéticos.

Objetivos de los estudiantes

1. Los estudiantes aprenderán que los imanes tienen un campo de fuerza invisible

conocido como un campo magnético.

2. Los estudiantes será capaces de detectar y dibujar un campo magnético

utilizando brújulas.

3. Los estudiantes aprenderán que una brújula se compone de un diminuto imán

que se alinea con un campo magnético fuerte.

4. Los estudiantes aprenderán que las barras de imanes tienen dos polos y que los

polos similares se repelen entre sí y los polos diferentes se atraen entre sí.

Contenido de Estandares

• Unificando Conceptos y Procesos: Evidencia, modelos y explicaciones; Cambio,

constancia y medición.

• La ciencia como investigación: Es necesario habilidades para hacer investigación

científica; Entendiendo acerca de la investigación científica

• Ciencias Físicas: Propiedades y cambios de propiedades en la materia;

Movimiento y Fuerza

Materiales necesarios (por grupo de estudiantes)

• 1 brújula por estudiante

• 2 imanes de barra

• 6 hojas de papel blanco

• 4-5 clips de papel, una regla de madera o plástico, y un lápiz

• (opcional) limaduras de hierro

• Alambre de cobre o de aluminio

Materiales adicionales (para demostración o por grupo)

• Pequeña / mediana botella (de plástico transparente o vidrio)

• 2 cucharadas de limaduras de hierro

• 1 sobre de papel manila

• 1 rollo de cinta adhesiva

• 1 rollo de papel

Sugerencias

Los imanes de barra pierden rápidamente sus campos magnéticos cuando se caen.

Brújula con vidrio o plástico transparente. Estos tipos de brújulas pueden ser

usados para demostrar cómo hacer el plano de campos magnéticos junto con

limaduras de hierro para incluir la dirección del campo magnético.

Las brújulas pueden cambiar fácilmente la polaridad usando imanes.

Es divertido usar imán para hacer que la aguja de la brújula rote alrededor. Sin

embargo, si al hacer esto la aguja no se mueve, la polaridad (lugares norte y sur)

puede ser revertida. Para que se dirija la punta de la aguja en la dirección correcta,

la polaridad de la aguja debe ser tal que la flecha apunte hacia el norte geográfico

de la Tierra al estar alejada de la electricidad y otros imanes. Con el fin de invertir

la polaridad de la aguja de la brújula de manera controlada, mantenga la brújula

para que la aguja esté en posición horizontal. Luego tomar el imán y mover uno de

los polos del imán en sentido longitudinal a través de la aguja de la brújula, lo que

hace que la aguja no se mueva.

Nombrando convenciones con los polos magnéticos

Por convención, la aguja de la brújula apunta la en la dirección del Polo Norte

Geográfico. Y por convención (no relacionada con la primera convención), la aguja

de la brújula es un polo norte magnético, que se siente atraído (apunta a) el polo

sur magnético de un imán, a menudo marcado con una "S" o con el color azul.

Usando el hecho de que los polos opuestos se atraen, esto significa que la aguja

de la brújula debe ser atraída por un polo sur magnético en el hemisferio norte de

la Tierra.

Seguridad trabajando con limaduras de hierro

Para evitar que los estudiantes accidentalmente ingresen limaduras de hierro en

sus ojos durante esta sesión, los estudiantes deben usar gafas de seguridad

cuando se trabaja con limaduras de hierro.

Actividad 1: Mapeando Líneas de campo magnético

! ADVERTENCIA! No llevar imanes cerca de computadoras, monitores de

computadora u otros dispositivos magnéticos. Los imanes pueden

destruir materiales con propiedades magnéticas.

1. Comenzar esta lección con una discusión introductoria con los estudiantes sobre

el magnetismo. Preguntar a los estudiantes acerca de sus experiencias con el

magnetismo y de sus conocimientos e ideas acerca de lo que es y sus causas.

Preguntar acerca de si la Tierra es magnética, cómo saber si es o no, y si hay otros

cuerpos astronómicos que son magnéticos (como el Sol). También podría

preguntar si saben que es una brújula magnética y que hace. Uno de los objetivos

clave de esta discusión es para aclarar cualquier malentendido que pueda haber en

los estudiantes sobre el magnetismo. Una idea equivocada es que el magnetismo

tiene que ser transmitido a través de un medio. No, Puede ser transmitido a través

de un vacío completo.

2. Distribuir "Hoja de trabajo 1.1" y dos imanes a los grupos de 2-4 estudiantes.

Permitir a los estudiantes algún tiempo para experimentar libremente con los

imanes y materiales de su alrededor, como clips, reglas, alambres de cobre o

aluminio, y lápices. Usted puede hacer algunas sugerencias acerca de intentar

obtener que los imanes atraigan o repelen a otros objetos. Pida a los estudiantes

tomar notas acerca de sus descubrimientos en la hoja de trabajo 1.1. El objetivo

aquí es que los estudiantes descubran que los imanes atraen a los metales que

contienen hierro, níquel, y / o cobalto, pero no muchos de otros materiales. Si lo

desea, para dirigirlos hacia el descubrimiento del hecho de que cuando algunos

metales están tocando un imán magnético ellos se vuelven también magnéticos: es

decir, si se coloca un extremo de un clip a un imán, el otro extremo atraerá a otros

clips de papel. Es posible proporcionar metales no magnéticos, como el cobre o el

aluminio para demostrar que estos metales no son magnéticos.

3. Ahora dar a cada estudiante una brújula magnética. Discutir con los estudiantes

ellos que saben sobre las brújulas. Enseñar a los estudiantes cómo funciona una

brújula haciendo que cada estudiante sostenga la brújula de forma horizontal y las

marcas N-S hacia arriba. A continuación los estudiantes tienen que alinear la línea

marcada "N" (para el Norte) con la flecha en el interior de la brújula. Hable acerca

de cómo las brújulas se utilizan en el desierto.

4. Dejar que los estudiantes experimenten con la brújula cerca de imanes, primero

con un imán de barra y luego con pares de imanes al colocados al azar. Hacer

tomar notas y hacer dibujos, acerca de lo que descubren en la hoja de trabajo 1.1.

5. Finalmente, haga que los estudiantes organicen sus brújulas alrededor de uno

de los imanes como se muestra en la Figura 1.1.

Figura 1.1: Imán con brújulas colocadas a su alrededor. Observe cómo las flechas de las brújulas apuntan hacia el polo

sur magnético y lejos del polo norte magnético del imán.

6. Pregunte a los estudiantes: "¿Cómo trabajan las brújulas" Finalmente llevar a

cabo el hecho (después de una discusión amplia) que la aguja de la brújula es un

pequeño imán suspendido sobre un pivote (pera que a su vez cambiara con

mínima fricción si una fuerza magnética es aplicada a este).

7. A continuación, distribuir la hoja de trabajo 1.2. Pida a los estudiantes cinta,

papel blanco y coloque los imanes en la parte superior y en el centro del papel

pegado. Explicar a los estudiantes que ahora trazaran la forma de la fuerza del

campo magnético alrededor del imán. Preguntarles acerca de la hipótesis de lo que

creen que es el campo de fuerza magnética formada alrededor de un imán y como

dibujaran está en la hoja de trabajo 1.2.

Para hacer los trazados, los estudiantes harán lo siguiente:

a. Dibujar un punto en algún sitio cerca del imán y colocar el centro de la brújula

sobre el punto.

b. Dibujar un punto en la ubicación de la punta de la flecha (o la cola) de la aguja

de la brújula.

c. Mueva el centro de la brújula a este nuevo punto, y otra vez dibujar un punto de

ubicación en el lugar de la cabeza de aguja de la brújula (o la cola).

d. Retire la brújula del papel y dibujar las líneas que conectan los puntos con

flechas que indican la dirección en que la brújula apunta.

e. Continuar con los pasos b-d hasta que la línea se encuentre con el imán o el

borde del papel.

f. Escoja otro lugar cerca del imán y repetir el proceso (pasos a-e).

8. Pida a los estudiantes continuar hasta que ellos tengan las líneas rodeando el

imán como se muestra en la Figura 1.2: un diseño de dipolo de campo de fuerza.

Introducir el término dipolo (dos polos) en el campo magnético.

Figura 1.2: Líneas de campo magnético trazadas en un imán con un campo de dipolo magnético utilizando brújulas.

HOJA DE TRABAJO 1.1

NOMBRE____________________

FECHA______________________

1. ¿Qué observa acerca de la interacción de los imanes que le fueron dados?

Interacción con imanes:

No interacción con imanes:

¿Qué tienen en común todos los materiales que interactúan con los imanes?

3. ¿Qué sucede cuando se trae una brújula cerca de un imán? ¿Este cómo depende

de dónde se coloque la brújula? (Use el reverso de esta hoja si necesita más

espacio)

Actividad 2: limaduras de hierro y (2-3D) Líneas de campo magnético

[Estas actividades son opcionales o pueden ser demostradas en frente de la clase

por el profesor en lugar de ser realizada por los estudiantes. Si se hace como una

demostración, las limaduras de hierro deberán ser rociadas sobre una

transparencia que se coloca en la parte superior del imán(s) sobre un

retroproyector. ]

!! ADVERTENCIA!! Las limaduras de hierro son sucias y se adherirán a los

imanes. Es importante tener papel o transparencias entre las limaduras y

los imanes.

9. Dar a los grupos de 2-4 estudiantes limaduras de hierro y varias hojas de papel.

Pida a los estudiantes colocar el papel en la parte superior de uno de sus imanes,

trazar el contorno del imán y marcar cual es el Norte y cuál es el Sur. Rociar las

limaduras de hierro de manera uniforme sobre el papel y dar al papel algunos

golpecitos suaves para que las limaduras se alineen con el campo magnético, como

se muestra en la Figura 1.3.

Figura 1.3: limaduras de hierro en hojas de papel sobre imanes.

10. Pida a los estudiantes que anoten sus observaciones en la Hoja de trabajo 1.3.

Hace algunas preguntas de sondeo para obtener de los estudiantes que piensan de

lo que están observando. ¿Pueden explicar que está sucediendo? Pídales que

formen algunas ideas (hipótesis) acerca de lo que podría ser la explicación para lo

que observan. ¿Ven la misma forma como lo hicieron con su brújula trazando en el

papel alrededor de los imanes? Los estudiantes deberán escribir sus respuestas a

las preguntas en la hoja de trabajo 1.3. Si aún no han discutido cómo las limaduras

actúan como pequeños imanes, tal vez ahora algunos estudiantes serán capaces

de deducir este hecho.

11. Levantar el papel con mucho cuidado para no derramar cualquiera de las

limaduras, y llévelas de regreso al interior del tarro de limaduras. Pida a los

estudiantes colocar dos imanes en algunas configuraciones de su elección. En la

Hoja de trabajo 1.3, pida a los estudiantes trazar un dibujo de lo que plantean

como hipótesis del campo magnético que se verá, a continuación, colocar el papel

en la parte superior de los imanes y espolvorear algo de limaduras de hierro sobre

este, golpeando suavemente el papel para obtener las limaduras alineadas con el

campo magnético. Ahora, ¿qué ven? Asegurarse de que registren sus

observaciones cuidadosamente haciendo dibujos de sus resultados y compararlos

con sus predicciones.

12. Para este paso, el profesor puede simplemente hacer una demostración de la

clase, o si se tiene suficiente material, cada grupo podría construir un visualizador

de 3 dimensiones (3-D) del campo magnético. Como su nombre sugiere, se va a

construir un dispositivo para visualizar en 3-D la estructura de un campo magnético

alrededor de un imán de vaca.(Imán de vaca = Las vacas ingieren accidentalmente alambre, clavos,

púas y otros objetos metálicos que irritan el tracto digestivo, reducen la producción de leche y pueden perforar las

paredes del estómago. Para disminuir estos riesgos se le da a tragar a cada vaca joven un imán largo de extremos

redondeados que se aloja en el retículum y permanece ahí durante la vida de la vaca atrayendo los objetos metálicos

que traga, formando lo que se conoce como "bezoar".)

Para construir el visualizador conseguir un plástico transparente o una botella de

vidrio, pequeña/mediana (es decir, 600 ml). Quitar las etiquetas de la botella.

-Corte un sobre de manila, para formar e introducir hasta bien dentro un tubo del

diámetro del imán de vaca y una longitud ligeramente más larga que la botella.

Pegar el tubo para mantenerlo enrollado.

-Sellar uno de los extremos del tubo con un poco de papel y cinta y desde el

extremo abierto introducir el imán de vaca en el tubo, no introducirlo todo hasta el

fondo del tubo.

-Vertir algo de limaduras de hierro dentro la botella, lo suficiente para cubrir el

fondo con una capa de ¼ de Cm de grosor.

-Introducir el tubo dentro de la botella y usar papel y cinta para sellar la boca de la

botella alrededor del tubo.

-Ahora, deslizar el imán de vaca dentro del tubo. Usar un lápiz para mantenerlo en

su lugar y luego sacudir la botella. Las limaduras de hierro a continuación, se

pegarán a la parte exterior del tubo y tomaran la forma del campo magnético que

rodea el imán. Pedir a los alumnos la hipótesis de la forma del campo antes de

hacer esto.

Un método opcional de ver el campo de fuerza en 3-D alrededor de un imán es

llenar una botella con aceite mineral y un par de cucharadas de limaduras de

hierro. Sellar la botella y agitarla. Las limaduras comenzaran a fijarse en el imán

contra el lado de la botella. Sostener la botella hacia la luz y se verá las limaduras

moviéndose a lo largo de las líneas de fuerza magnética. Se deberán ver los lazos

de fuerza llenos de un polo al otro. Si se tiene un imán de herradura este puede

producir la más dramática demostración de los bucles magnéticos.

Figura 1.4: Visualización del campo magnético 3D alrededor de un imán de vaca usando un visualizador 3D del campo

magnético hecho con materiales simples (a).

13. Después de completar las actividades anteriores el profesor deberá discutir con

los estudiantes algunas de sus observaciones, y hacerlos que expliquen sus ideas y

conclusiones. Asegurar de llevar a cabo la idea de cómo los polos iguales se

repelen y los polos opuestos se atraen y que el campo de fuerza magnética tiene

una dirección. También tomar nota de que el imán atraerá los metales, pero no

otras clases de materiales. Tal vez llevar a cabo la idea de que las limaduras de

hierro eran como diminutos imanes que fueron alineando a los polos con la

atracción de polos opuestos y rechazo de polos iguales. Las hojas de trabajo 1.1,

1.2, y 1.3 pueden ser utilizadas como sean adecuadas y podrán desarrollasen sus

propias preguntas y respuestas.

HOJA DE TRABAJO 1.2

NOMBRE____________________

FECHA______________________

1. Dibujar su hipótesis de cómo será el campo magnético en torno a un imán.

Incluya flechas que apuntan en la dirección de la brújula hacia el norte (rojo por

convención).

2. Dibujar cómo este se ve a partir de sus mediciones con la brújula.

3. Dibujar su hipótesis de cómo será el campo magnético en torno a dos imanes en

una configuración (o configuraciones) de su elección.

4. Dibujar cómo se ve a partir de sus mediciones con la brújula:

HOJA DE TRABAJO 1.3

NOMBRE____________________

FECHA______________________

1. ¿Qué observo cuando se roció las limaduras de hierro sobre el papel que cubre

el imán? Dibuje lo que observo.

2. ¿Puede explicar por qué las limaduras de hierro se comportaron de esa manera?

3. ¿Ve los mismos patrones como lo hizo con los trazados de la brújula?

4. Dibuja lo que espera ver cuando se espolvorea limaduras de hierro sobre dos

imanes en una nueva configuración.

5. Dibuja lo que hizo, de hecho, con sus dos imanes en la nueva configuración.

¿Cómo fueron sus expectativas, lo mismo o diferente?