Descubriendo La Física - Programa 296z4m

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES INSTITUTO DE FISICA Nombre de la asignatura: Descubriendo la Física Semestre lectivo: Cursos nivelatorios Curso teórico práctico: Si Número de créditos: 4 Número de horas/semestre: 64 Esta asignatura es: No habilitable, No validable Coordinador: Jaime Arturo Vélez Pardo

Código: IFI-100 Curso básico: Sí. Pre-requisitos: Ninguno Co-requisitos: Ninguno Número de horas/semana: 4 Semestre: 2013-1

1. PROGRAMA DIRIGIDO A: Estudiantes de primer semestre de todos los programas de Ingeniería. El enfoque curricular es de interés cognitivo técnico 2. FUNDAMENTACIÓN CURRICULAR A. DESCRIPCIÓN SOCIOCULTURAL Y LOGÍSTICA Los estudiantes del curso, acaban de ingrasar a la Universidad de Antioquia, entidad de carácter público, con aproximadamente 36.000 estudiantes mayormente clasificados en los estratos socio-económicos 1,2 y 3, son en su mayoría egresados de colegios públicos de la ciudad de Medellín y su área metropolitana. La matrícula en el curso es de aproximadamente 1200 estudiantes/semestre, distribuidos en grupos de máximo 35 estudiantes, para permitir interacciones dialógicas entre estudiantes y con el profesor en todas las clases del curso. El número de docentes del curso es de 20 profesores de cátedra y 2 de tiempo completo, uno de los cuales es el coordinador del curso, cuya función es supervisar el buen desarrollo de las actividades, acordar con los docentes las preguntas y problemas que conforman la evaluación sumativa (exámenes parciales y quices), asegurándose que sea exactamente la misma para todos los grupos, y istrar la plataforma tecnológica.

B. DESCRIPCIÓN PSICOPEDAGÓGICA La Teoría del Cambio Conceptual y la Teoría del Aprendizaje Significativo. La teoría del cambio conceptual en la enseñanza de las ciencias, está basada en el hecho de que desde la mas tierna infancia, -pocos meses después de nacidos-, los seres humanos construyen ideas, conceptos, y teorías sobre el funcionamiento del mundo que los rodea, a partir de la experiencia sensorial, y estos se arraigan formando una epistemología personal. El aprendizaje de las nociones científicas se logra mediante el cambio o modificación de estas teorías personales como resultado de confrontarlas con el experimento y/o con teorías alternativas. Los pre-conceptos y estas pre-teorías personales son conocimientos previos no triviales que deben ser tenidos muy en cuenta en el proceso de aprendizaje, debido a que constituyen casi siempre un obstáculo para el descubrimiento, construcción o aceptación, de las teorías científicamente válidas respecto al funcionamiento del mundo. El aprendizaje significativo se dá al examinar estas teorías previas o pre-teorías, haciéndolas conscientes por medio del díalogo, y contrastarlas con nueva información presentada y discutida en clase entre estudiantes y profesor, con el objeto de construir nuevas teorías que permitan la comprensión acertada de los fenómenos físicos. C. DESCRIPCIÓN EPISTEMOLÓGICA Las teorías de Karl Popper, Imre Lakatos y Thomas Kuhn Una estrategia posible es el estudio y desarrollo de predicciones basadas en estas pre-teorias que eventualmente llevan a conclusiones erróneas, generando conflictos y llevando a la falsación de estas pre-teorias. Otra, es la identificación y el cambio de paradigmas y su uso en la elaboración de nuevas teorías que responden adecuadamente a la descripción y predicción de los fenómenos. NOTA: Respecto a estos dos últimos puntos resulta iluminador el artículo de Moreira y Greca: “Cambio conceptual: Análisis crítico y propuestas a la luz del aprendizaje significativo”. En http://www.if.ufrgs.br/~moreira/cambioconceptual.pdf consultado el 24 de Diciembre 2010. Un aspecto fundamental de este enfoque es mostrar al estudiante el carácter provisional de toda teoría científica e ilustrarle el proceso dinámico de refundación teórica de las ciencias naturales.

JUSTIFICACION DEL CURSO EN EL PROGRAMA Los conceptos de la Física están involucrados en múltiples desarrollos tecnológicos en los cuales los ingenieros asumen un papel protagónico. Comprender la estructura conceptual de la Física y su potencial aplicabilidad puede llevar al estudiante a asimilar mejor los conceptos específicos tratados en los cursos de nivel superior, tanto en el área de ciencias básicas como en el área profesionalizante. Además, cuando el estudiante ve la Física en los desarrollos tecnológicos de su cotidianidad, la siente más cercana y se motiva a estudiarla. 2. OBJETIVOS 2.1 GENERALES - Mostar al estudiante, mediante el estudio de casos, que la naturaleza y los objetos que nos rodean funcionan acorde a un número pequeño de principios, leyes y teorías. - Lograr que el estudiante comprenda los conceptos fundamentales de la Física, elaborándolos a partir de confrontar sus teorías previas o pre- teorías y pre-conceptos con experimentos y teorías científicas. - Lograr que el estudiante comprenda que la Física hace parte importante en el diseño de aparatos, instrumentos y dispositivos, y que el funcionamiento de estos es comprensible mediante el uso de la razón y de los conceptos. - Motivar al estudiante a abordar con gusto y seriedad los cursos de Física de su carrera 2.2 ESPECIFICOS Al terminar el curso el estudiante estará en capacidad de manera introductoria de: abcdefg-

Identificar y entender las leyes de Newton. Conocer el concepto de trabajo y energía. Identificar los principios de la dinámica de rotación. Conocer los procesos de transferencia de calor y las leyes de la termodinámica. Identificar los sólidos, líquidos y gases como sistemas de partículas sujetos a interacciones. Conocer las nociones de campo gravitacional, eléctrico y magnético. Identificar las interacciones entre campos y partículas.

h- Conocer el concepto de onda mecánica y electromagnetica. i- Identificar las nociones fundamentales de la estructura atómica y emision/ absorción de la radiación. j- Conocer las nociones fundamentales de la relatividad, de la mecánica cuántica y algunas de sus aplicaciones. k- Conocer algunas nociones de la cosmología. l- Mostrar interés por la física, y la ciencia en general como ingeniero en formación. 3. CONTENIDO POR UNIDADES UNIDAD 1 2 3 4 5

TITULO DE LA UNIDAD La Mecánica Movimiento periódico y Ondas La Termodinámica Electricidad y Magnetismo Física Moderna

HORAS 24 6 10 12 4

4. METODOLOGIA El curso es un acercamiento no convencional a la física, que analiza aparatos, instrumentos y dispositivos, y explica como funcionan y qué los hace funcionar. Está diseñado para que los estudiantes encuentren conexiones entre la ciencia , el mundo en que viven y los objetos que los rodean, desarrollando interés por la física y comprendiendo su importancia en el diseño de objetos y máquinas. La metodología a seguir en el curso requiere la participación activa del estudiante con el fin de que efectivamente se cumplan los objetivos propuestos, por lo que se requiere la asistencia de los estudiantes a las sesiones de clase. En estas se realizará: a) Exposición de los temas por parte del profesor, apoyándose en la proyección de películas, simulaciones por computador y prácticas demostrativas, suscitando discusiones y preguntas por parte de los estudiantes, de tal forma que estos participen en la identificación de los conceptos y la explicación de los fenómenos. b) Discusión y estudio detallado de los temas tratados en clase, realizados por los estudiantes, incluyendo el análisis de ejemplos y la solución de ejercicios. (Quices conceptuales) c) Lectura y discusión de textos recomendados por el profesor.

d) Asesoría al estudiante por parte del profesor del curso. 5. MEDIACIONES El curso se basa en una serie de conferencias preparadas en Power Point, que incluyen videos seleccionados de You Tube, simulaciones de Phet (Universidad del Colorado) y quices conceptuales pertinentes al tema de cada una de las clases. Estas están disponibles como archivos PDF, junto con otro material pertinente a cada lección, (Lecturas adicionales, videos, actividades web), en el sistema de istración de cursos de la Universidad. (Moodle). Este sistema también es usado por los estudiantes en el proceso de evaluación del curso para la presentación de quices y tareas. 6. EVALUACION Cuatro exámenes de una hora de duración del 20% cada uno y 20% de seguimiento usando la plataforma Moodle (10% en tareas y 10% quices, uno de cada uno antes de cada prueba parcial). Primera Prueba Segunda Prueba Tercera Prueba Cuarta Prueba

Abril 22 Mayo 27 Julio 8 Julio 31

Lunes Lunes Lunes Miércoles

Lecciones 1 a 5 Lecciones 7 a 11 Lecciones 12 a 16 Lecciones 16 a 22

7. BIBLIOGRAFIA TEXTO: Física Conceptual. Paul Hewitt How things work. Louis A. Bloomfield. Física Conceptual. Guillermo Pineda G. Física Básica. Fundamentos y Perspectivas. Jae R. Ballif y William E. Dibble Física. E. Hecht.

8. CONCLUSIONES El carácter masivo de la isión de estudiantes a la Facultad de Ingeniería, la diversidad de instituciones de formación secundaria de las que provienen y el muy escaso cumplimiento de los estándares propuestos por el Ministerio de Educación, han llevado a la Universidad a la elaboración de un curso introductorio de Física para estudiantes de Ingenierías, que permita a los estudiantes comprender que aprender es comprender, que a partir de sus ideas y conceptos previos respecto al funcionamiento del mundo les permita construir teorías científicas y comprender tanto su proceso de construcción como las diferentes predicciones que estas realizan y como se contrastan con las realizadas por sus teorías previas construidas a partir de su experiencia sensorial, que los familiarice con los conceptos de la mecánica, la termodinámica, el electromagnetismo y la física moderna de una manera simple y que los prepare y motive para la secuencia de cursos basados en Cálculo requeridos en su formación como Ingenieros. En éste proceso las TICs cumplen un papel fundamental en hacer homogéneos, tanto en contenido como en evaluación los diferentes grupos de estudiantes, (usualmente 35 por salón), de tal forma que las experiencias vividas en el aula y la evaluación a la que se someten sean equivalentes, pertinentes y equitativas.

9. APENDICE 1 PROGRAMA PARCELADO POR CLASES UNIDAD 1: LA MECANICA TEMA TEMAS FECHA 0 Presentación del curso: propósito, objetivos, contenidos, metodologías, evaluación. 03-18 1 03-20 ¿Dónde? ¿Cuándo? ¿Cómo? Posición, desplazamiento, velocidad promedio, velocidad instantánea, aceleración Gráficos x vs. t, v vs. t y a 04-01 vs t. pendiente y área bajo una curva, conceptos de derivada e integral. 2 04-03 EL PATINAJE 2. Inercia,Masa inercial, , fuerza, masa, primera y segunda leyes de Newton, vectores y operaciones entre ellos. 04-08 Representaciones:gráfica, polar y en componentes, unidades. cantidad de movimiento, la fuerza como causante del cambio en la cantidad de movimiento, impulso lineal. Conservación del momentum lineal, sistema de varias partículas (2) y tercera ley de Newton.

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ACELERANDO Movimiento bajo la acción de una fuerza constante.Gráficos. Experimento de análisis de video con aceleraciones positiva y negativa. La Caída de los Cuerpos. Gravitación universal, Ley de gravedad, satélites, gravitación en cercanias de la superficie terrestre, peso, caída libre, representación gráfica y ecuaciones de caída libre, movimiento de un proyectil. Las Rampas. Fuerza neta, diagramas de cuerpo libre, tercera ley de Newton, energía, trabajo, conservación de la energía, energía potencial, rampas, ventaja mecánica. TALLER El Mataculin. Inercia rotacional, torque, velocidad angular, aceleración angular, rotación y las leyes de Newton, centro de masa, palancas. La Rueda. Fricción, energía térmica, ruedas, balineras, energía cinética de rotación, momento angular, impulso angular, conservación del momento angular, rotación y tercera ley de Newton, energía potencial y aceleración.. La Balanza de Resorte. Equilibrio, equilibrio estable, ley de Hooke, oscilaciones, calibración, centro de gravedad. Los Choques entre Objetos. Colisiones, transferencia de energía. Vibraciones, colisiones elásticas e inelásticas. El Carrusel y la Montaña Rusa. La aceleración percibida, el movimiento circular uniforme, aceleración centrípeta. Taller sobre dinámica de rotación y temas avanzados de dinámica de translación.

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UNIDAD 2: LA TERMODINAMICA SESION TEMAS FECHA 12 05-22 La Estufa de Carbón. Energía térmica, calor, temperatura, enlaces químicos y reacciones, conductividad térmica, convección, radiación, capacidad calorífica. 13 05-27 Agua, Hielo, Vapor. Fases de la materia, transiciones de fase, fusión, evaporación, condensación, solidificación, humedad relati-

va, calores latentes de fusión y evaporación, deposición, hervor, nucleación y supercalentamiento. 14 Los Bombillos Incandescentes y los tubos fluorescentes. 05-29 Espectro electromagnético, la luz, radiación de cuerpo negro, emisividad, ley de Stefan-Boltzmann, expansión térmica, descargas en gases, estructura atómica y emisión , transiciones radiativas, la constante de Planck, fluorescencia. 15 El Aire Acondicionado. 06-05 Las leyes de la termodinámica, temperatura, calor, entropía, bombas térmicas y eficiencia termodinámica. 16 06-12 El Automóvil Máquinas térmicas y eficiencia termodinámica 06-17 TALLER DE ONDAS Y TERMODINÁMICA UNIDAD 3: MOVIMIENTO PERIODICO Y ONDAS SESION TEMAS FECHA 17 06-19 Los Relojes El tiempo y el espacio, resonancia natural, el oscilador armónico, movimiento armónico simple, frecuencia. 18 07-08 Los Instrumentos Musicales El sonido, la música, ondas en una cuerda, en aire y en superficies, modos de vibración, armónicos, resonancias, ondas estacionarias y ondas viajeras, ondas longitudinales y transversas, velocidad, frecuencia y longitud de onda en ondas mecánicas, superposición, efecto Doppler. UNIDAD 4: ELECTROMAGNETISMO SESION TEMAS FECHA 19 07-10 La Electricidad Estática y La Máquina Fotocopiadora. Carga eléctrica, fuerzas electrostáticas, ley de Coulomb, energía potencial electrostática, voltaje, carga por o, polarización, conductores y aislantes. Campo eléctrico y gradiente del potencial, relación entre forma y campo, descargas, corriente eléctrica, dirección del flujo de corriente, carga por inducción. 20 07-15 Linternas. Circuitos eléctricos, resistencia eléctrica, caídas y elevaciones de voltaje, relaciones entre voltaje, corriente y potencia, ley de Ohm.

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Imanes Polos magnéticos, fuerza magnetostática, campos magnéticos, ferromagnetismo, polarización magnética, dominios magnéticos, materiales magnéticos, líneas de flujo magnético, relación entre corrientes y campos magnéticos Generadores de Electricidad, Motores, Distribución de Potencia Eléctrica. Superconductividad, corriente directa y alterna, inducción, transformadores, energía en el campo magnético, relaciones entre campos magnéticos variables y y campo eléctrico, fuerza electromagnética inducida, ley de Lenz , seguridad eléctrica., fuerzas electromagnéticas, energía y trabajo, fuerza de Lorenz. La Radio. Energía del campo eléctrico, relación entre campos eléctricos y magnéticos variables, circuitos tanque, la velocidad de la luz, polarización, modulación de amplitud, modulación de frecuencia, ancho de banda. El Horno Microondas. Ondas electromagnéticas: velocidad, frecuencia y longitud de onda, moléculas polares y no polares, el magnetrón. Taller de Ondas y Electromagnetismo

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UNIDAD 5: FISICA MODERNA SESION

TEMAS Adaptadores de Voltaje. Física cuántica, dualidad onda- partícula, principio de exclusión de Pauli, estructura de bandas, nivel de Fermi, metales, aislantes y semiconductores, la juntura p-n, diodos, condensadores. Lasers y LEDs Luz coherente e incoherente, emisión espontánea y estimulada, inversión de población, amplificación láser,

FECHA

difracción, seguridad con láseres. Armas Nucleares. Estructura nuclear, isótopos, radioactividad, principio de incertidumbre, efecto túnel, vida media, desintegración alfa, fisión, reacción en cadena, fusión, la transmutación de los elementos, la explosión de una bomba A. .Imágenes médicas y radiación. Rayos X, Gamma, Fluorescencia de Rayos X, Efecto fotoelectrico, efecto Compton, decaimiento beta, aceleradores y resonancia magnética