Material Educativo

1. Titulo de material educativo:

Explorando en comportamiento de las interacciones Físicas”

2. Necesidades Educativas:

Este material educativo surge de la necesidad de complementar los conocimientos adquiridos en la rama de la física correspondiente a la cinemática “cómo ocurren los diversos movimientos de los cuerpos”, dándole una explicación bastante clara de averiguar el por qué ocurren los mismos de tal o cuál forma y no de otra “dinámica”.

3. Población:

El contenido va dirigido a estudiantes cursantes del cuarto (4) año de bachillerato, con edades comprendidas entre 14 y 16 años.

4. Fundamentación Teórica:

Está basada en las teorías cognoscitivitas, la cual considera el aprendizaje como un proceso interno de modificación de estructuras mentales que posibilitan una mayor capacidad para procesar información y generar nuevos conocimientos.

El material educativo a elaborar tiene sus bases en el enfoque Cognitivo de Procesamiento de Información que pertenecen a la teoría antes mencionada donde se considera el aprendizaje como adquisición, procesamiento y transferencia de información, recuerdo, olvido, almacenamiento, entre otros. Equipará la mente del sujeto a un computador. Su esquema básico es el siguiente:

ESTÍMULO-INFORMACIÓN-SENTIDOS-MEMORIA-RECUPERACIÓN-RESPUESTAS

Es decir, que concíbela aprendiz (estudiante) como un procesador de información. La información entra desde el ambiente, es procesada y almacenada en la memoria y luego sale en forma de alguna capacidad aprendida. Puede ser motora cognitivo o actitudinal.

Robert Gagné es el principal representante de este enfoque. En este enfoque se identifican una serie de fases del aprendizaje: motivación, compresión, adquisición, retención, recuerdo, transferencia, respuesta y retroalimentación.

También plantea una serie de eventos de enseñanza para apoyar cada proceso del aprendizaje y facilitarlo siendo este más efectivo:

· Presentar y explicar el objetivo.

· Captar la atención

· Facilitar la codificación de la información.

· Proporcionar práctica

· Provocar el recuerdo de conocimientos previos

· Aplicar la información, realimentar, reforzar y evaluar.

5. Objetivos de Aprendizaje:

· Objetivo General:

“Describir el comportamiento de las interacciones físicas”

· Objetivos Específicos:

· Definir la interacción de los cuerpos.

· Determinar los tipos de interacciones físicas existentes.

· Especificar las leyes que rigen cada una d las interacciones físicas.

· Interpretar los elementos que involucran las leyes.

· Mostrar las aplicaciones que tienen las interacciones físicas.

6. Procesamiento Didáctico de los Contenidos:

¿QUÉ SON INTERACCIONES?

Se les llama interacciones a los cuerpos que entre sí ejercen acciones mutuas o influencias.

¿CUÁL ES LA RAMA DE LA FÍSICA QUE ESTUDIA EL MOVIMIENTO DE LOS CUERPOS?

La dinámica es la parte de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación a las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema.

¿CÓMO SE CLASIFICAN?

· la gravitatorias

· el electromagnéticas

· la interacción nuclear fuerte

· la interacción nuclear débil

· INTERACCIÓNES GRAVITATORIAS:

Su origen se encuentra en la propiedad de la materia llamada masa y su magnitud es extremadamente pequeña comparada con la electromagnética. Esta es la más débil de las cuatro interacciones; sin embargo, la podemos apreciar cotidianamente debido a que en nuestro entorno existen cuerpos con masas muy grandes. Su rango de alcance es extremadamente grande, aunque disminuye rápidamente con la distancia. Por ejemplo la formación del sistema solar y la vida en el planeta Tierra, dependen en gran medida de la interacción gravitatoria. Fenómenos como la caída de una manzana, el movimiento de un satélite alrededor de una planeta y el movimiento relativo entre las galaxias, están determinados por la interacción gravitatoria..

No hace falta una presentación muy extensa para esta última fuerza. La sentimos a cada instante al estar pegados a la Tierra. A pesar de lo que pueda parecer, es extremadamente débil. Su intensidad es aproximadamente, dicho en números redondos, 1000000000000000000000000000000 de veces menor que la interacción nuclear débil.

La gravedad nos pega a nuestro planeta

No obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir, de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa, dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas estrellas de neutrones.

Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce según aumenta la distancia, como ya formuló Isaac Newton con su Ley de Gravitación Universal.

La ley de gravitación universal, presentada por Newton en su libro publicado en 1687, "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" establece, da forma y explica el fenómeno natural de la atracción que tiene lugar entre dos objetos con masa.

Todo objeto en el universo que posea masa ejerce una atracción gravitatoria sobre cualquier otro objeto con masa, independientemente de la distancia que los separe. Según explica esta ley, mientras más masa posean el objeto mayor será la fuerza de atracción, y paralelamente, mientras más cerca se encuentren entre sí, también será mayor esa fuerza.

Expresando lo anterior en términos formales, esta ley establece que la fuerza que ejerce un objeto dado con masa m1 sobre otro con masa m2 es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa:

Poniendo lo anterior en una fórmula, tenemos:

Donde m1 y m2 son las masas de los dos objetos, d es la distancia que se para sus centros de gravedad y G es constante de gravitación universal.

Si trabajamos con vectores, tenemos la siguiente fórmula:

donde es el vector unitario que va del centro de gravedad del objeto 1 al del objeto 2.

Interpretando lo anterior, y guiándonos en la fórmula, esta ley establece que mientras más grandes sean las masas de sus cuerpos, mayor será la fuerza con que se atraigan, y que a mayor distancia de separación menor será la fuerza de atracción.

Es importante aclarar que la distancia entre los dos objetos se refiere a la distancia existente entre los centros de gravedad de cada uno de ellos, que generalmente se encuentra al centro del objeto (excepto si éste tiene una forma irregular), por lo que esa distancia, en caso de que los objetos estén en contacto, será mayor a cero.

La fuerza de atracción entre dos cuerpos como el que ejerce la Tierra sobre los cuerpos que están dentro de su rango de acción, es la causa de que los cuerpos que se sueltan a cualquier altura caigan al suelo. En este caso, la distancia que los separa sería la distancia del objeto hasta el centro de la tierra.

En la formula se puede notar la inclusión de G, la constante de gravitación universal. Newton no sabía el valor de esta constante, sólo explicó que se trata de una constante universal, indicó que se trata de un número bastante pequeño, e indicó la unidad de medida que incluye.

Sólo mucho tiempo después hubo las posibilidades técnicas necesarias para calcular su valor, y ni aún en la actualidad se pudo precisar su valor con mucha exactitud. En 1798 se hizo el primer intento de medición y en la actualidad, con técnicas de la mayor precisión posible se llegó a estos resultados.

· LAS INTERACCIONES ELECTROMAGNÉTICAS

Es menos poderosa que la interacción fuerte y tiene su origen en la carga eléctrica. Debido a que los átomos están formados por cargas eléctricas y a que la materia esta constituida por átomos; el estudio de la materia, la radiación y sus interacciones, se hace utilizando la interacción electromagnética. Con base en esta interacción se pueden explicar la mayoría de las propiedades de la materia; sus fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, así como su textura, su color, su transparencia, opacidad y dureza. La formación de moléculas involucran fuerzas electromagnéticas, por lo que las propiedades químicas de la materia tienen su origen en esta interacción. Muchas ramas de la ciencia son resultado directo del estudio de las propiedades electromagnéticas de la materia.

Esta fuerza se puede contemplar como campos electromagnéticos o como intercambio de fotones, y es unas 100 veces más débil que la fuerte. Es bastante más cotidiana que la anterior, puesto que todos hemos visto un imán en acción. Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y negativa, de forma que cuando dos partículas cuentan con distinta carga se atraen y cuando coincide se repelen.

El principio de la brújula responde al electromagnetismo


Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa se atraen para formar los elementos químicos, con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza nuclear fuerte anteriormente descrita.

A nivel aún más pequeño tenemos una vez los quarks, los cuales tienen carga electromagnética fraccionaria, con respecto a la unidad que sería la del protón y la del electrón, 1 y -1 respectivamente. El protón está compuesto por dos quarks con carga 2/3 y un quark con carga -1/3, sumando 1, mientras que el neutrón contiene dos quarks con carga -1/3 y uno con carga 2/3, sumando 0.

A nivel más grande, la interacción electromagnética no es de alcance restringido como la fuerte, y es la responsable de fenómenos a gran escala presentes en nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o las señales de radio y televisión.

La ley que rige este tipo de interacciones se llama:

La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, quien fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre cargas eléctricas.[1] Henry Cavendish también obtuvo la relación inversa de la ley con la distancia, aunque nunca publicó sus descubrimientos y no fue hasta 1879 cuando James Clerk Maxwell los publicó.[]

La ley puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello llamada fuerza electrostática.

En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:

Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud esta dada por:

La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:

donde es un vector unitario que va en la dirección de la recta que une las cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta.

El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma , entonces .

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica que fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión entre las cargas.

· INTERACCIONES NUCLEARES

Son aquellas que aparecen únicamente en el interior del núcleo atómico, originando fuerzas de gran intensidad, donde la distancia entre los cuerpos que interactúan es del orden 10-15 m. Cuando esta distancia aumenta, las fuerzas desaparecen.

Dentro de las interacciones que se llevan a cabo en el núcleo es necesario distinguir entre la interacción fuerte y interacción débil.

· INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE

Es la fuerza que obliga a los núcleos atómicos a permanecer unidos. El mes pasado vimos que los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por quarks. Pues bien, tanto los quarks entre sí como los neutrones y protones se mantienen pegados porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.

La Interacción fuerte se manifiesta en los núcleos atómicos

Existen unas reglas para que se acoplen los quarks, y dependen de lo que los científicos han llamado “color”, por analogía con lo que normalmente entendemos como tal. Tenemos tres colores: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para conseguir el color deseado. Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro verde.

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