Ciencias Naturales by Arnoldo Romero

Un lapicero al ser frotado en una tela adquiere carga eléctrica, la cual atrae las moléculas de agua, desviando la trayectoria de caída. Dada la naturaleza dipolar del agua, la parte de la molécula con carga opuesta a la carga del lapicero, es atraída por la fuerza eléctrica que se da entre éstas. Foto editada de una imagen propiedad de Sciencephoto Library.

Ministerio de Educación Viceministerio de Ciencia y Tecnología Gerencia de Educación en Ciencia, Tecnología e Innovación

Programa Cerrando la Brecha del Conocimiento Sub-Programa “Hacia la CYMA”

Material de Autoformación e Innovación Docente Ciencias Naturales Versión preliminar para Plan Piloto

Ministerio de Educación Presidente de la República Mauricio Funes Cartagena Secretario de Asuntos Estratégicos de la Presidencia y Ministro de Educación Ad Honórem Franzi Hasbún Barake Viceministra de Ciencia y Tecnología Erlinda Hándal Vega Viceministro de Educación Héctor Jesús Samour Canán Director Nacional de Ciencia y Tecnología Mauricio Antonio Rivera Quijano Gerente de Educación en Ciencia, Tecnología e Innovación Xiomara Guadalupe Rodríguez Amaya Jefe de Educación Media en Ciencia, Tecnología e Innovación Oscar de Jesús Águila Chávez Jefe de Educación Básica en Ciencia, Tecnología e Innovación Carlos Ernesto Miranda Oliva Autores Adela Melissa Martínez Sánchez Osmany René Aparicio Alex Wilfredo Canizalez Revisores Técnicos Sandra López Alejandro De León

Primera edición (Versión Preliminar para Plan Piloto) Derechos reservados. Prohibida su venta. Edificios A4, segundo nivel, Plan Maestro, Centro de Gobierno, Alameda Juan Pablo II y calle Guadalupe, San Salvador, El Salvador, América Central. Teléfonos: +(503) 2510-4217, +(503) 2510-4218, +(503) 2510-4211, Correo electrónico: gecti@mined.gob.sv

Estimadas y estimados docentes: El Plan Social Educativo “Vamos a la Escuela” 2009-2014 nos plantea el reto histórico de formar ciudadanas y ciudadanos salvadoreños con juicio crítico, capacidad reflexiva e investigativa, con habilidades y destrezas para la construcción colectiva de nuevos conocimientos, que les permitan transformar la realidad social y valorar y proteger el medio ambiente. Nuestros niños, niñas y jóvenes desempeñarán en el futuro un rol importante en el desarrollo científico, tecnológico y económico del país; para ello requieren de una formación sólida e innovadora en todas las áreas curriculares, pero sobre todo en Matemática y en Ciencias Naturales; este proceso de formación debe iniciarse desde el Nivel de Parvularia, intensificándose en la Educación Básica y especializándose en el nivel Medio y Superior. En la actualidad, es innegable que el impulso y desarrollo de la ciencia y la tecnología son dos aspectos determinantes en el desarrollo económico, social y humano de un país. Para responder a este contexto, en el Viceministerio de Ciencia y Tecnología se han diseñado Materiales de Autoformación e Innovación Docente en las disciplinas de Matemática y Ciencia, Salud y Medio Ambiente para los niveles de Parvularia, Educación Básica y Educación Media. El propósito de los Materiales de Autoformación e Innovación es orientar al cuerpo docente para fundamentar mejor su práctica profesional, tanto en dominio de contenidos, (sobre todo aquellos contenidos pivotes), como también en la implementación de una metodología y técnicas que permitan la innovación pedagógica, la indagación científica-escolar y sobre todo una construcción social del conocimiento, bajo el enfoque de Ciencia, Tecnología e Innovación (CTI), en aras de mejorar la calidad de la educación. Este material es para el equipo docente, para su profesionalización y autoformación permanente que le permita un buen dominio de las disciplinas que enseña. Los contenidos que se desarrollan en los materiales de autoformación, han sido cuidadosamente seleccionados por su importancia pedagógica y por su riqueza científica. Es por eso que para el estudio de las lecciones incluidas en estos materiales, se requiere rigurosidad, creatividad, deseo y compromiso de innovar la práctica docente en el aula. Con el estudio de las lecciones (de manera individual o en equipo de docentes), se pueden derivar diversas sesiones de trabajo con el estudiantado para orientar el conocimiento de los temas clave o “pivotes” que son el fundamento de la alfabetización científica en Matemática y Ciencias Naturales. La enseñanza de las Ciencias Naturales y la Matemática debe despertar la creatividad, siendo divertida, provocadora del pensamiento crítico y divergente, debe ilusionar a los niños y niñas con la posibilidad de conocer y comprender mejor la naturaleza y sus leyes. La indagación en Ciencias Naturales y la resolución de problemas en Matemática son enfoques que promueven la diversidad de secuencias didácticas y la realización de actividades de diferentes niveles cognitivos. Esperamos que estos Materiales de Autoformación e Innovación establezcan nuevos caminos para la enseñanza y aprendizaje de las Ciencias Naturales y Matemática y que fundamenten de una mejor manera, nuestra práctica docente. También esperamos que el contenido de estos materiales nos rete a aspirar a mejores niveles de rendimiento académico y de calidad educativa, en la comunidad educativa, como en nuestro país en general. Apreciable docente, ponemos en sus manos estos materiales porque sabemos que está en sus manos la posibilidad y la enorme responsabilidad de mejorar el desempeño académico estudiantil, a través del desarrollo curricular en general, y particularmente de las Ciencias Naturales y Matemática.

Lic. Franzi Hasbún Barake Secretario de Asuntos Estratégicos de la Presidencia de la República y Ministro de Educación Ad Honórem Dr. Héctor Jesús Samour Canán Viceministro de Educación

Dra. Erlinda Hándal Vega Viceministra de Ciencia y Tecnología

Índice I Parte Presentación.............................................................................................................

Introducción. .............................................................................................................

A. Objetivo. ...................................................................................................

B. Enfoque de competencias en educación. ................................................

C. Contenidos pivotes. ..................................................................................

D. Estructura de las lecciones. .....................................................................

E. Como utilizar el material de autoformación en ciencia. .........................

F. Relación entre el programa de estudios y este Material de

Autoformación Docente ............................................................................ G. Enseñanza de la ciencia basada en la indagación. ...............................

14 18

II Parte A medir se ha dicho. ................................................................................................

Calor y temperatura. ................................................................................................

Materiales gaseosos. ...............................................................................................

Elementos fundamentales para la vida: oxígeno. ...................................................

La respiración en los animales. ...............................................................................

Cambios físicos. ......................................................................................................

Carga eléctrica y campo eléctrico. ..........................................................................

Cambios físicos: disolución. ...................................................................................

Reproducción natural de las plantas. ......................................................................

101

Reproducción artificial de las plantas. ....................................................................

109

Condiciones para el crecimiento de las plantas. ......................................................

118

La hidrósfera. ..........................................................................................................

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Fenómenos atmosféricos: huracanes y ciclones. ....................................................

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Primera Parte ¿Por qué Enriquecimiento Curricular y Autoformación Docente?

Presentación

El Viceministerio de Ciencia y Tecnología a través de la Gerencia de Educación en Ciencia, Tecnología e Innovación (GECTI) y su programa “Hacia la CYMA” que se está desarrollando durante el quinquenio 20092014, ejecuta el Proyecto de Enriquecimiento Curricular en el área de Ciencias Naturales y Matemática, el cual tiene entre sus acciones la elaboración y entrega de material de enriquecimiento curricular a docentes de I Ciclo de Educación Básica. Este material de autoformación para docentes tiene como propósito fortalecer el desarrollo curricular de Ciencia, Salud y Medio Ambiente de Tercer Grado de Educación Básica, introduciendo el enfoque Ciencia, Tecnología e Innovación (CTI) como parte inherente y rel evante del proceso de formación científica. Con este propósito se han elaborado doce lecciones con temas pivotes considerados necesarios en la educación de la niñez salvadoreña, para obtener una fundamentación científica que permita fortalecer las capacidades de investigación, innovación y creación. Se busca que mediante la formación científica se mejoren las condiciones sociales y económicas para alcanzar una vida digna de nuestros futuros ciudadanos. Cada tema de este cuadernillo mantiene una relación con las lecciones del libro de texto de la colección “Cipotas y Cipotes”. El enriquecimiento de temas tiene la posibilidad de ser plataforma de construcción de conocimiento bajo el enfoque de enseñanza de la Ciencia basado en la indagación (ECBI). Este enforque busca entre diversos propósitos, el acervo equitativo al conocimiento y a su uso, mediante el abordaje del conocimiento de la naturaleza, proponiendo explicaciones basadas en la evidencia recopilada de la experimentación.

Introducción Una idea comúnmente aceptada es que nuestra sociedad y el mundo en general son muy distintos a los de hace algunos años atrás. Uno de los factores que los hacen distintos es el grado de desarrollo que ha alcanzado la ciencia y a pesar de que el conocimiento humano en general ha avanzado en todas las áreas del saber, es innegable que el desarrollo de la ciencia y de la tecnología ha afectado enormemente nuestra forma de vida. Es evidente también que el conocimiento y los beneficios de este desarrollo científico no están al alcance de todos. Esto nos invita a hacer una reflexión sobre la relación que hay entre la ciencia, la sociedad y la búsqueda de alternativas que resuelvan los diferentes problemas que presenta esta realidad, desde las múltiples perspectivas que nos dan los diferentes campos en los que nos desenvolvemos, en el caso del magisterio, el de la educación. A. Objetivo El propósito de este material de autoformación, es fortalecer las competencias docentes de Educación Primaria, en las disciplinas de Ciencias Naturales (Biología, Física y Química), para optimizar el desarrollo de la asignatura de Ciencia, Salud y Medio Ambiente. Para lograr este objetivo proponemos una serie de contenidos básicos a los que metafóricamente llamamos contenidos pivotes. Nuestra propuesta es que usted, amigo docente, pueda fortalecer sus conocimientos de Ciencias Naturales mediante la lectura y estudio de las lecciones contenidas en este libro, la realización de las actividades experimentales que sugerimos y la “calibración” del aprendizaje mediante algunos instrumentos de evaluación para determinar hasta qué punto se han alcanzado las metas del contenido estudiado. B. Enfoque de competencias en educación. Desde hace algunos años, la introducción de un enfoque de desarrollo de competencias básicas pasó a orientar el desarrollo del currículo nacional conduciendo el proceso de enseñanza-aprendizaje hacia el enfoque de desarrollo de competencias. Existen diversas definiciones e interpretaciones sobre el concepto de competencia, aunque la mayoría implican dos aspectos fundamentales: 1. Comprensión y adquisición de conocimientos, habilidades y desarrollo de actitudes; y 2. Puesta en práctica de la integración de los conocimientos, habilidades y actitudes para resolver problemas y situaciones diversas1 . Si pensamos en la enseñanza de las Ciencias Naturales basándonos en el enfoque de competencias, es necesario fortalecer en el estudiante la comprensión de los sucesos, las consecuencias de las actividades humanas y la necesidad de preservación de las condiciones de vida, tanto para los humanos como para el resto de los seres vivos. Para esto se hace necesa1 Barraza, A., Dipp, A. J. “Competencias y Educación: miradas múltiples de una relación”. Instituto Universitario Anglo Español A.C., México, 2011.

rio alcanzar un pensamiento científico-racional que permita comprender la información que nos ofrecen las diversas fuentes para la toma de acciones concretas. Pero para desarrollar com petencias científicas en los estudiantes es necesario que los y las docentes nos preocupemos por actualizar dichas competencias en nosotros. Al aumentar nuestras competencias docentes en cada área de las ciencias a través del estudio de este Material de Autoformación, y de la co-formación entre el equipo docente, podremos mejorar la forma en que enseñaremos a nuestros alumnos y alumnas a aprender y usar sus conocimientos, es decir a desarrollar competencias científicas. La enseñanza de las ciencias como una serie de conceptos y fenómenos ajenos a una discusión no crea interés en los estudiantes pues no la presenta como una disciplina atractiva para trabajar con ella. El estudiante vive curioso, maravillado, preocupado o en constantes conjeturas acerca del entorno que comienza a conocer, por lo que es indispensable encauzar sus ideas, ayudarles a buscar respuestas o preguntas adecuadas que den explicación a lo que ocurre en la realidad cotidiana. Por tanto, la enseñanza de las Ciencias Naturales debe de involucrar la experimentación, la investigación y sobre todo, la satisfacción de la curiosidad de los estudiantes propia de su edad. C. Contenidos pivotes Las Ciencias Naturales estudian el mundo que nos rodea, las leyes que gobiernan la naturaleza y, en general, nuestra interacción con el mundo físico. El desarrollo de la ciencia avanza rápidamente gracias al desarrollo de la tecnología en general, y particularmente, a las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), que permiten un flujo constante e integral de los conocimientos generados por la comunidad científica del mundo entero. Para la elaboración de este Material de Enriquecimiento de Ciencias Naturales se tuvo en cuenta esta constante evolución de la información de tal manera que los contenidos aquí expuestos son el reflejo del conocimiento actualizado en cada área de las ciencias que se estudian. De esa misma manera exhortamos al docente que ahora nos lee a no conformarse con lo aquí expuesto, y le invitamos a la búsqueda constante a la investigación e indagación sobre los temas aquí planteados y otros que sean de su interés dentro de las ciencias. En la búsqueda por abarcar el conocimiento para la alfabetización científica de acuerdo con los diferentes niveles de Educación Básica, un equipo de profesionales de la educación y científicos del MINED ha hecho una selección y propuesta de temas dentro de los programas oficiales de Ciencia, Salud y Medio Ambiente; dichos temas los hemos llamado contenidos pivotes, pues consideramos que son aquellos donde se apoyan, o de los que depende el desarrollo de otros contenidos. Los contenidos pivotes se han retomado para enriquecerlos en su desarrollo disciplinar, profundizando tanto en su explicación como haciendo propuestas de abordaje metodológico que emulen en el aula el trabajo científico que se desarrolla en los laboratorios o en los centros de investigación de los parques tecnológicos, de tal manera que tanto maestros como alumnos puedan desarrollar habilidades intelectuales propias del pensamiento y del quehacer científico.

Los contenidos pivotes propuestos en este Material de Autoformación de Ciencias Naturales se encuentran organizados en cuatro ejes temáticos: 1. La materia y sus transformaciones • Materiales gaseosos • Elementos fundamentales para la Vida: oxígeno • Cambios físicos • Cambios físicos: disolución 2. Energía y movimiento • A medir se ha dicho • Calor y temperatura • Campo eléctrico 3. Los seres vivos • Reproducción natural de las plantas • Reproducción artificial de las plantas • Condiciones para el crecimiento de las plantas • La respiración en los animales 4. La tierra y sus cambios • La hidrósfera • Fenómenos atmosféricos Es necesario aclarar que este Material de Autoformación y planificación docente de Ciencias Naturales no pretende cambiar ni sustituir al programa de estudios, tampoco a los libros de texto que se utilizan actualmente en el MINED2 ; al contrario, pretendemos enriquecer el material con el que cuentan los docentes, tanto para su propia formación, como para el desarrollo de clases de Ciencias Naturales pertinentes, efectivas y de calidad. D. Estructura de las lecciones Las lecciones se estructuran en catorce partes, las cuales se detallan a continuación: 1. Título: Condensa la idea central de la lección, se presenta como una idea clara y precisa del contenido. 2. Descripción: Presenta todos aquellos puntos relevantes que se tratarán en la lección, haciendo énfasis en las características (generalidades, importancia, usos, etc.) que se desarrollan. Es un espacio para generar interés y motivación en el docente. Pretendemos que el docente que nos lee pueda además transmitir a los estudiantes esta curiosidad y el entusiasmo por las Ciencias Naturales. 3. Temas y subtemas: Es la división de temas y subtemas que contiene la lección.

Colección “Cipotas y Cipotes”.

4. Objetivos específicos: Son logros que los estudiantes pueden alcanzar. La lección posibilita el desarrollo de un contexto propicio para ello. 5. Habilidades y destrezas científicas: Son una oportunidad para interpretar y poner en práctica algunas acciones para aplicar los conocimientos adquiridos sobre el fenómeno u objeto de estudio, con el fin de transformarlo. 6. Tiempo: Este el tiempo aproximado en el cual se desarrolla la lección. El docente puede adecuar dicho tiempo según sus necesidades y contexto. 7. Ilustración: Es una imagen de fondo que ilustra y representa el tema de la lección. 8. Conceptos claves: En este apartado se encuentra un pequeño glosario de conceptos básicos del contenido de la lección. La elección de estos conceptos se ha realizado con la intención de que sirvan de ayuda en el momento de leer el marco teórico de la lección. El docente puede y debe enriquecer dicho glosario en función de sus necesidades de aprendizaje y de enseñanza. 9. Marco teórico: Bajo el título “¿Qué debería usted saber sobre el tema?” esta sección aborda los conceptos, proposiciones e información relevante que se establece como marco de referencia de los fenómenos a estudiar. La información se respalda en principios, leyes, clasificaciones, características, propiedades, etc. Se acompaña de ilustraciones, esquemas, modelos y otros con la intención de que el contenido quede lo más claro posible. 10. Actividades: Es importante la realización de las actividades propuestas para que los conceptos se aprehendan de una manera práctica y efectiva y para que el aprendizaje sea significativo y relevante. Las actividades están encaminadas a desarrollar ideas que contribuyan a la construcción, la comprensión y el análisis de los temas que se estudian; y están pensadas para desarrollarse desde lo simple a lo complejo planteándose además distintas alternativas de abordaje tales como: prácticas experimentales, creaciones artísticas, modelos espaciales, etc. Cualquiera que sea la técnica empleada, la actividad se divide en cuatro partes: i. Introducción: Explica el objetivo de la actividad, la importancia y las temáticas que se enriquecerán en su desarrollo. Aconseja la manera cómo puede efectuarse la experimentación, ya sea individualmente o en grupos. ii. Iniciación: Es un diagnóstico de los conocimientos que la persona lectora posee empíricamente acerca del tema que trata la lección, como resultado de lo que observa, percibe y conoce de su entorno o de sus propias experiencias. Se desarrolla mediante preguntas abiertas originadas de inquietudes propias, de cuestionamientos de los estudiantes o de expectativas que surgen en el desarrollo de una clase proponiendo indirectamente una o varias hipótesis.

iii. Desarrollo: Son las indicaciones para la ejecución de la práctica experimental con

los estudiantes. Se presenta en secciones: a. Materiales: Es el listado de las herramientas, materiales u objetos que se necesitarán para realizar la actividad. Al escoger las herramientas se alberga la idea de crear y construir instrumentos sencillos de bajo costo y de fácil acceso. En ocasiones puede que la cantidad exacta de algún material no sea un aspecto relevante, pero en otros, la cantidad es fundamental. b. Procedimiento: Son los pasos dados para la realización de la práctica experimental. Si se presentan obstáculos durante los procesos de investigación, se debe permitir que el estudiante solvente la situación con sus propias ideas para propiciar la maduración del pensamiento. iv. Interpretación: El fin último de las actividades es la interpretación y análisis de los resultados de acuardo con los conceptos que los sustentan en el marco teórico. Las actividades no tendrían mayor interés sin una explicación que la respalden. Muchas veces el porqué de los fenómenos tiene aplicaciones sorprendentes en el mundo que nos rodea y es importante su comprensión. Para explicar los resultados obtenidos se debe tener claridad en los conceptos de la lección para poder interpretar las causas que provocan los fenómenos y poder generalizar el suceso a las condiciones experimentales en las que se realiza, es decir, manifestar que lo mismo sucederá cuando el experimento se realice en condiciones similares. 11. Ideas complementarias: Es la sección que se encuentra a la par de cada actividad. Aquí se presentan comentarios, posibles respuestas a las preguntas planteadas en la actividad, ilustraciones, etc. En este espacio se abordan temas de historia de la ciencia y de la tecnología, así como aspectos destacados de Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente (CTSA). Se le invita a que también en este caso pueda usted ampliar esta sección, partiendo de la información que se proporciona. 12. Actividad integradora: Las ciencias no deben estudiarse como un conjunto de saberes aislados y sin conexión. Los fenómenos de la realidad circundante no pueden ser interpretados bajo una sola visión científica sino que su comprensión demanda la integración de saberes de todas las áreas de las ciencias para una interpretación eficaz de tales fenómenos. En esta parte se pretende integrar el conjunto de competencias que componen el pensamiento, así como también las habilidades y actitudes de todas las áreas de las ciencias para la interpretación de un problema que involucra la aplicación de los saberes de las ciencias. 13. Hojas de ejercicios: Este es un instrumento de aprendizaje y un medio por el cual tanto el maestro como los estudiantes pueden evaluar o autoevaluar sus conocimientos. Con los resultados de esta evaluación, el docente puede realizar “ajustes” necesarios en el proceso de enseñanza-aprendizaje del contenido concreto. Contempla diferentes actividades de evaluación como: cuestionarios, esquemas, mapas conceptuales, crucigramas, complemento de afirmaciones, etc.

14. Referencias: Se hacen referencias tanto a textos, páginas en la red, vídeos y otros materiales para que el docente pueda consultar y profundizar su conocimiento. E. Cómo utilizar el Material de Autoformación en Ciencias Cada docente planifica y organiza las actividades de la clase de acuerdo con los objetivos y competencias de la asignatura. Este material de enriquecimiento permitirá adquirir un conocimiento y comprensión de los contenidos que el docente enseña, ya que representa un modelo de la planificación de la clase, tiempo para trabajar con prácticas experimentales y desafíos interesantes que permitan construir el aprendizaje. Con este material de enriquecimiento se pueden organizar actividades para el inicio, desarrollo y cierre de la clase. Esto no quiere decir que lo ejecutará tal como se presenta, sino que puede tomar las ideas que mejor le favorezcan y alternarlas con las ideas del programa, o de la Guía Metodológica de la Colección “Cipotas y Cipotes”, el libro de texto y los cuadernos de ejercicios de la misma colección, de manera que pueda crear su clase como mejor se ajuste a su realidad: tamaño de la clase, recursos didácticos, nivel de aprendizaje del estudiante, tiempo de clase, entre otros. La finalidad es que el docente determine los mecanismos y actividades para avanzar con los estudiantes a un ritmo de aprendizaje adecuado y de calidad. te.

F. Relación entre el programa de estudios y este Material de Autoformacion Docen-

A continuación le presentamos un cuadro donde se relacionan las lecciones de los temas pivotes del material de enriquecimiento con los contenidos del Programa Oficial de Ciencia, Salud y Medio Ambiente y los libros de texto de la colección “Cipotes y Cipotas”. Esto puede servir como guía para la planificación de las clases. Material de Autoformación Lección 1 “A medir se ha dicho”

Se relaciona con

Tipo de enriquecimiento

Unidad 1: Sostén y movi- Con este tema se familiariza al estudiante mientos de los seres vi- con la cuantificación de la ciencia, una havos. bilidad identificada en el currículo actual. Este es un tema fundamental para el estuLección 6: ¡Qué máquinas dio posterior de las magnitudes escalares más simples! Pág. 28-31. y vectoriales en sexto grado y la utilización de instrumentos para medir abordada en cuarto grado. El objetivo de la lección es que el estudiante conozca las magnitudes y unidades fundamentales de la física como lo son la masa, la longitud y el tiempo. Otro objetivo es conocer los diferentes sistemas de unidades y sus maneras de medir. Es recomendable desarrollar el tema antes de la lección 6 de la Unidad 1 del presente grado.

Lección 2 “Calor y temperatura”

Unidad 4: Transformación Esta lección es una continuación del estude la energía. dio del calor y la temperatura desarrollado en segundo grado. En esta lección se esLección 3: ¿Caliente o frio? tudian los conceptos físicos tales como la Pág. 73-76. dilatación térmica, cambio de fases y energías de transformación, con el fin de que el Unidad 6: Nuestra amiga estudiante pueda comprender los estados el agua. sólidos, líquidos, y gaseosos de la materia y la dependencia de estos estados de Lección 1: Los estados del la temperatura del sistema. También, los agua y de otros materiales. principios vistos son un antecedente para Pág. 101-104. la lección que trata sobre la formación de huracanes.

Lección 3 “Materiales Gaseosos”

Unidad 6 “Nuestra amiga, Esta lección completa el tema de los esel agua” tados de la materia, a través del estudio del estado gaseoso. Se apoya en la teoría Lección 1: Los estados del corpuscular de la materia, para que el esagua y de otros materiales. tudiante entienda claramente el concepto y Pág. 101-104. las características de los gases de acuerdo con el movimiento de las partículas en dicho estado.

Lección 4 Unidad 5 “¿Cómo respira“Elementos fundamentales mos y nos reproducimos” para la vida: oxígeno” Lección 1: Respirar para vivir. Pág. 81-84.

El oxígeno, es una molécula gaseosa indispensable para la vida, ya que está presente en el agua, en el aire, y es esencial para la mayoría de organismos. Como elemento, se encuentra presente en la mayoría de los compuestos que componen la Unidad 8 “La Tierra, nues- Tierra. tro gran hogar” Esta lección debe desarrollarse con la lección 1 de la Unidad 5, debido a que valora Lección 3: Así es nuestro al oxígeno como uno de los componentes hogar abióticos del ecosistema, y lo demuestra Pág. 141-143. explicando el ciclo del oxígeno integrado a los temas de la respiración aeróbica y la Lección 7: Neblina peligro- fotosíntesis. sa. Pág. 156-159.

Lección 5: Unidad 5 “¿Cómo respi- Se retoman los distintos tipos de respi“La respiración en los ani- ramos y nos reproduci- ración en animales del entorno con el fin males” mos?” de descubrir que el ser humano respira pulmonarmente como otros mamíferos y Lección 1: Respirar para vi- otros vertebrados. vir. Pág. 81-84. Unidad 5 “¿Cómo respiramos y nos reproducimos?” Lección 2: ¿Cómo respiramos? Pág. 85-88.

Lección 6 “Cambios físicos”

Unidad 6 “Nuestra amiga El contenido actual no define los cambios el agua” físicos a pesar que lo ejemplifica mediante los cambios de estado del agua. Lección 1: Los estados del En ocasiones los cambios físicos no se reagua y de otros materiales. conocen con facilidad, por lo que reforzar Pág. 101-104. el estudio del ciclo de agua y explicar la reversibilidad de los cambios físicos del agua ayudará al estudiante a identificar y clasificar los cambios físicos que ocurren cotidianamente a nuestro alrededor.

Lección 7 “Carga y campo eléctrico”

Unidad 4: Transformación La presente lección precede a la lección 3 de la energía. de la Unidad 4 del presente grado, permitiendo al estudiante comprender los orígeLección 1: ¡Cuánta energía! nes de la electricidad desde el estudio de Pág. 64-68. las cargas eléctricas, sus interacciones y transferencias. Con esto se permite construir un concepto integral de la energía eléctrica.

Lección 8 “Cambios físicos: ción”

Unidad 6. “Nuestra amiga El tópico de las soluciones es un eje fundadisolu- el agua” mental para la comprensión del comportamiento de la materia y los sistemas biológiLección 2: El agua, fuente cos. Debido al uso continuo de soluciones de vida. Pág. 105-108. en nuestra vida diaria, un análisis de los procesos de disolución permitirá que el estudiante comprenda claramente el fundamento y el mecanismo de este proceso. Así, las interacciones entre la materia, en sus diferentes estados, proporciona un enlace fundamental hacia la comprensión de muchos procesos biológicos y físicos.

Lección 9: Unidad 5 “¿Cómo respi“Reproducción natural de ramos y nos reproducilas plantas” mos?” Lección 3: Semillas: bellas durmientes. Pág. 89-92.

Se enriquece toda la lección dándole mayor profundidad científica al observar e identificar la flor como el órgano de reproducción de las plantas con flores; así también se relaciona el papel que tienen algunos insectos en el proceso de polinización. Se estudian además algunas plantas con flores y sin flores, nativas y exóticas en la comunidad. Estos temas son totalmente nuevos en los programas de estudio y libros de texto, lo que le da mayor lógica y globalidad al estudio de la reproducción de las plantas y no se fragmenta el conocimiento sólo en el estudio de las características de la semilla.

Lección 10: Unidad 5 “¿Cómo respi- Se da mayor profundidad científica al es“Reproducción artificial de ramos y nos reproduci- tudio de la reproducción en las plantas, al las plantas” mos?” abordar las técnicas utilizadas para realizar la reproducción artificial de las plantas. El estudiante descubre que hay plantas Lección 3: Semillas: bellas que se reproducen por medio de estacas durmientes. Pág. 89-92. como las rosas y geranios, por medio de

hojas, como las violetas, etc. Con esto se fortalece la idea de cómo la intervención del ser humano en la vida de los seres vivos puede ser beneficiosa para las especies y para el desarrollo del pensamiento. Lección 11: Unidad 5 “¿Cómo respi- Se sugiere que se desarrolle esta lección “Condiciones para el creci- ramos y nos reproduci- antes de los temas relacionados en el miento de las plantas” mos?” programa actual. Trata que los estudiantes descubren y explican cómo el agua, la Lección 3: Semillas: bellas luz, la tierra y la temperatura inciden en el durmientes. Pág. 89-92 nacimiento y crecimiento de una planta. También comprenden que las plantas son Unidad 8 “La Tierra, nues- seres vivos de vital importancia en la bióstro gran hogar” fera para lo cual se hace necesaria su protección y la creación de condiciones para Lección 5: ¿Luz o sombra? su conservación. Esto le da mayor sentido Pág. 148-152. y globalidad científica al tema de las condiciones ambientales. Unidad 6 “Nuestra amiga, el agua” Lección 4: ¿Qué cambios observas? Pág. 113-117. Lección 12 “La hidrósfera”

Unidad 6 “Nuestra amiga Esta lección pretende abordar el tema del el agua” agua desde un enfoque hidrogeológico, desarrollando el conocimiento que permita Lección 1: Una amiga para a los estudiantes identificar y tomar conconservar. Pág. 88-92 ciencia de la importancia de los recursos hídricos de la Tierra. Se estudian también Lección 4: El agua, fuente las partes que integran el ciclo del agua y de salud. Pág. 101-104 se ejemplifica el proceso de filtración del agua que explica el origen de las aguas subterráneas; además se enfatiza la importancia de la reforestación para estos procesos.

Lección 13 “Fenómenos atmosféricos”

Unidad 3: Previniendo ac- Antes de abordar el contenido de la Unicidentes y riesgos dad 3 es necesario desarrollar cómo se originan los diferentes fenómenos naturaLección 2: Los riesgos de les que pueden convertirse en riesgos. Por nuestras vidas. ejemplo, en primer grado se aborda los Pág. 50-53. orígenes de los sismos, en segundo grado la meteorización y la erosión que causan Lección 3: ¡Más vale preve- cambios en la superficie. Se desarrolla en nir! esta lección los fenómenos naturales de Pág. 54-58. huracanes y ciclones; los huracanes son uno de los fenómenos que generan deLección 4: Emergencias y presiones tropicales causando lluvias en desastres. la región centroamericana. El objetivo es Pág. 59-62 que el estudiante comprenda los efectos y daños que pueden generar.

G. Enseñanza de la Ciencia Basada en la Indagación

Al razonar sobre los cambios rápidos que suceden en la sociedad, la ciencia y la tecnología nos obliga a pensar en la necesidad de modernizar la educación y a preguntarnos ¿cómo lograr que los estudiantes puedan motivarse a comprender, transformar y utilizar lo que aprenden? Una propuesta interesante es la que se viene desarrollando desde hace un par de décadas; se trata de un modelo de enseñanza de las ciencias basado en la indagación (ECBI). Este enfoque busca, entre diversos propósitos, el acceso más equitativo al conocimiento y a su uso, mediante la asociación de la comunidad científica y tecnológica con los sistemas educativos. Tiene sus orígenes en países como los Estados Unidos (Programa Hands On), o Francia (Programa “La main à la pâte”); actualmente está siendo usado y desarrollado en varios países europeos (Programa Pollen), y latinoamericanos como Chile3 , Argentina, Colombia, Brasil, México, y otros. La indagación se refiere a la forma de abordar el conocimiento de la naturaleza, proponiendo explicaciones basadas en la evidencia recopilada de la experimentación. En esta metodología indagatoria, los alumnos piensan y reflexionan sobre un problema, situación o fenómeno, plantean preguntas al respecto, hacen predicciones y experimentan para luego obtener resultados. Los resultados son contrastados con las predicciones para posteriormente analizar, discutir y compartir lo aprendido. Existen diversos autores que tratan el tema de la indagación, la mayoría con aspectos coincidentes. Por ejemplo, Garritz4 et al (2009) describen siete etapas que abordan la indagación: 1. Planteamiento de preguntas. 2. Definición del problema a resolver e identificación de sus aspectos relevantes. 3. Recopilación de información como evidencia o apoyo a los planteamientos. 4. Formulación de explicaciones al problema planteado a partir de la evidencia. 5. Diseño y conducción de un trabajo de investigación (experimento) a través de diversas acciones. 6. Relación con problemas de la vida cotidiana. 7. Compartir con otros mediante la argumentación lo que ha sido aprendido. Las actividades incluidas en este material de enriquecimiento pueden ser fácilmente adaptadas a una metodología con enfoque de indagación. Así, la mayoría de actividades presentes en las lecciones comienzan con preguntas indagatorias sobre el problema a tratar, en forma de lluvia de ideas. El planteamiento de preguntas ayuda a detectar los conocimientos previos o preconceptos que el estudiante posee sobre el tema y al mismo tiempo es la herramienta para presentarles la situación, problema o fenómeno a resolver o interpretar.

3 Ministerio de Educación de Chile. (s.f.). Enseñanza de la Ciencia Basada en Indagación. Recuperado Enero 22, 2011, a partir de http://www.mineduc.cl/index2.php?id_seccion=3047&id_portal=16&id_contenido=12141. 4 Garritz, A. Labastida, D.V., Espinosa, J.S. y Padilla, K., “El conocimiento didáctico del contenido de la indagación”, Memorias del Congreso Nacional de Investigación Educativa, Veracruz, México, Septiembre 2009.

Una vez los estudiantes tienen definido el problema pueden hacer uso tanto de la información de textos u otras fuentes, preguntas directas al profesor, así como de su conocimiento y experiencias previas (empíricas) para resolver el problema. La realización de la experiencia (actividad) provee tanto resultados como información que corrobora o corrige los planteamientos, hipótesis o predicciones hechas al comienzo de la actividad. Así, el estudiante afianza, corrige o enriquece su conocimiento. Idealmente es el estudiante el que tiene que concebir y estructurar la actividad que corrobore su planteamiento para la resolución del problema que se le presenta, pero existe una variante en el método de indagación llamada indagación guiada, en la cual el maestro guía y ayuda a los estudiantes al desarrollo de investigaciones indagatorias en el salón de clases. Al final de la experiencia, se invita a los estudiantes a compartir con sus compañeros sus resultados y su interpretación. De cualquier manera este enfoque puede ser de ayuda para empezar con la construcción de una conexión entre los fenómenos del mundo real que nos rodea y el componente cognitivo del aprendizaje. Con el método de la indagación se incluye también el componente motivacional en el sentido de que el estudiante tiene que utilizar todos los medios para perseguir, resolver intereses y ejercitar capacidades. Al hacer protagonista al estudiante en la resolución de un problema se genera interés y motivación en ellos, de tal manera que la ciencia ya no se ve como una asignatura que margina, frustra y reduce la participación en la discusión e interpretación de los fenómenos. El interés por parte del estudiante es crucial para el aprendizaje. Estimados maestros, estimadas maestras, en la medida en que nos actualizamos como profesionales de la docencia, en esa medida podemos obtener mejores frutos en nuestra labor con los alumnos. Queda pues en vuestras manos este material de enriquecimiento para la valiosa tarea que desempeñan. Sirva de apoyo para lograr el reto que tienen en vuestras manos: elevar la calidad de vida presente y futura del país, elevando la calidad de la educación de nuestros estudiantes.

Segunda Parte

Lecciones

Lección 1

A medir se ha dicho OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar las unidades fundamentales y las derivadas del sistema internacional de medida. 2. Identificar las magnitudes físicas: longitud, tiempo, área y volumen.

3 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Identifica las magnitudes físicas. 2. Se auxilia de esquemas para representar los sistemas de medida. 3. Aplica factores de conversión.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Medición y unidades de medidas 2. Sistema Internacional de Unidades 3. Factores de conversión

Figura1. Con el equipo de medición de rayos de Cesio (Cs) se obtiene el patrón de medida del tiempo. Desde 1967 se define el tiempo como "la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado natural del átomo de 133Cs".

DESCRIPCIÓN La medición es una necesidad básica para el ser humano, ya que en repetidas ocasiones se necesita cuantificar para obtener información de diferentes fenómenos que se estudian. Por ejemplo, la distancia existente entre un pueblo y otro puede medirse de diversas maneras o unidades. De aquí surge la necesidad de estandarizar las unidades de medidas o buscar equivalencias entre sistemas de medidas diferentes como el Sistema Internacional de Unidades (SI).

CONCEPTOS CLAVES Magnitud física: Es la cualidad o la propiedad de la materia y la energía que puede ser medida. Longitud: Es la magnitud física que expresa la distancia entre dos puntos. Su unidad en el SI es el metro (m) (Fig. 2).

¿Qué debería usted saber del tema? Medición y unidades de medida A diario nos vemos en la necesidad de hacer medidas. Medimos el tiempo que se tardará el bus en transportarnos de un lugar a otro, la cantidad de agua que tomamos, el tamaño de camisa que necesitamos comprar y muchas cosas más. Lo que hacemos al medir es hacer una comparación entre el objeto que queremos medir y un objeto arbitrario que hemos tomado como patrón. Para que esta comparación tenga significado debemos utilizar un estándar denominado unidad. Así, el estándar para medir longitud es el metro (m), para medir el tiempo, es el segundo (s), para medir la masa, el kilogramo (kg), etc. A lo largo de la historia, cada civilización ha creado su propio sistema de unidades y aún en la actualidad se pueden encontrar muy diversas formas de medir la misma magnitud. Por ejemplo, para medir la longitud encontramos el metro, la pulgada, la vara, el pie, la yarda, etc. Para entender estas medidas debemos ser capaces de expresar una medida en la unidad que más convenga y esto se logra realizando una conversión. Lo conveniente es que se usen las mismas unidades para expresar las mismas magnitudes, razón por la cual surge el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Figura 2. Algunos instrumentos para medir la longitud.

Masa: Es la magnitud física que indica la cantidad de materia que contiene un cuerpo. Tiempo: Es la magnitud física que ordena la secuencia de los sucesos, estableciéndose para esto un pasado, un presente y un futuro.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) El Sistema Internacional de Unidades (SI) proviene del Sistema Métrico Decimal. Este último fue adoptado en la 1ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) y ratificado en 1875 por 15 naciones. Para ese entonces se organizó la Convención del Metro, a la que asistieron representantes de 8 países y en la que se nombró un Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) con la finalidad de: • Estudiar el establecimiento de un conjunto completo de reglas para las unidades de medida. • Conocer la opinión de los círculos científicos, técnicos y educativos en todos los países. • Brindar recomendaciones para el establecimiento de un sistema práctico de unidades de medida adecuado para ser adoptado por todos los firmantes de la Convención del Metro. Dentro de todos los sistemas de unidades existen unidades fundamentales y unidades derivadas.

Entre algunas fundamentales tenemos la longitud, la masa y el tiempo. De las derivadas podemos mencionar la velocidad, el área y el volumen. En el Sistema Internacional de Medidas las unidades fundamentales que se utilizarán son las que se muestran en la Tabla 1: Tabla 1. Unidades básicas de medidas.

Magnitud física

Unidad

Símbolo

Definición de la unidad En 1889 se definió el metro patrón,como la distancia entre dos finas rayas de una barra de aleación platino (Pt) -iridio (Ir) que se encuentra en el Museo de Pesas y Medidas en París.

Longitud

Masa

Tiempo

metro

kilogramo

segundo

El interés por establecer una definición más precisa e invariable llevó en 1960 a definir el metro como “1, 650, 763.73 veces la longitud de onda de la radiación rojo naranja del Kriptón 86 (86Kr)”. A partir de 1983 se define como “la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/(299, 792, 458) segundos”.

En la primera definición, el kilogramo fue considerado como “la masa de un litro de agua destilada a la temperatura de 4ºC”. En 1889 se definió el kilogramo patrón como “la masa de un cilindro de una aleación de platino e iridio que se conserva en el Museo de Pesas y Medidas en París”. Actualmente, se intenta definir en forma más rigurosa, expresándola en función de las masas de los átomos.

La primera definición de la unidad segundo patrón fue que “el segundo es la 1/86,400 parte del día solar medio”. Pero con el aumento en la precisión de medidas de tiempo se ha detectado que la Tierra gira cada vez más despacio (alrededor de 5 milisengundos por año), y en consecuencia se ha optado por definir el segundo en función de constantes atómicas. Desde 1967 se define como “la duración de 9, 192, 631, 770 períodos de la radiación, el cual corresponde a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado natural del átomo de cesio (Cs 133)”.

Factores de conversión Un factor de conversión es una cantidad (entera o fraccionaria) que muestra la relación entre dos unidades de medición. Los factores de conversión son muy útiles para resolver problemas donde se utilizan fórmulas en que intervienen dos o más unidades diferentes o donde la respuesta requiere una unidad de medición diferente a la usada en el problema. En la Tabla 2 se muestran los factores para convertir unidades de un sistema a otro, agrupándolos para cada una de las cantidades más comúnmente utilizadas. 23

Tabla 2. Tabla de conversiones del Sistema Internacional de Unidades (SI).

Longitud Centímetro

Metro

Kilómetro

Pulgada

Pie

Centímetro

0.01

0.00001

0.3937

0.03281

Metro

100

0.01

39.37

3.281

Kilómetro

100,000

1,000

39,370

3281

Pulgada

2.54

0.0254

0.000254

0.0833

Pie

30.48

0.3048

0.0003048

Puede leerse la tabla cruzando los valores de las columnas. Por ejemplo, la columna centímetro nos informa que 2.54 centímetros constituyen 1 pulgada (2.54 cm = 1 plg.). También 100 centímetros equivale a 1 metro (100 cm = 1 m). Usualmente utilizamos las unidades de libras (Tabla 3) para medir masa. En la columna de libra podemos ver que 2.2 libras equivalen a 1 kilogramo (2.2 lb = 1 kg). Por ejemplo, si un niño pesa 100 libras ¿Cuánto pesaría en kilogramos? Esto se resuelve fácilmente dividiendo las 100 libras entre 2.2 libras. Para facilitar los cálculos podemos eliminar decimales como aproximación (el valor de 2.2 a 2).

Tabla 3. Tabla de conversiones del Sistema Inglés.

Masa Gramo

Kilogramo

Onza

Libra

Gramo

0.001

0.0357

0.0022

Kilogramo

1000

35.71

2.2

Onza

0.028

0.0617

Libra

454

0.454

16.2

Para medir el tiempo utilizamos varias unidades (Tabla 4), dependiendo de las cosas que medimos, por ejemplo: para medir el tiempo que tarda un corredor olímpico de 100 metros planos utilizamos las unidades de segundos, cuyo último récord es de 9.58 segundos, correspondiente al corredor jamaiquino Usain Bolt en agosto del 2009. Cuando medimos el tiempo que tarda el agua para hervir podemos utilizar la medida del minuto, entre otros ejemplos.

Tabla 4. Unidades para medir el tiempo.

Tiempo Segundo

Minuto

Hora

Día

Año

Segundo

0.01667

0.00278

0.000116

0.000000317

Minuto

0.01667

0.00694

0.000019

Hora

3,600

0.04167

0.0001141

Día

86,400

1440

0.002738

Año

31,536,000

526,000

8766

365

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Mediciones, creando nuestras propias unidades (Tiempo aproximado: 45 minutos) El objetivo de esta actividad es comprobar la importancia de utilizar unidades para medir diversos objetos, así como la necesidad de tener una unidad patrón. Organice a los estudiantes en grupos de 3. Pregunte: ¿Por qué necesitamos medir? ¿Cómo utilizamos las diferentes mediciones? ¿Se podría medir la cantidad de agua con una regla? Materiales: • Diversos objetos alargados, por ejemplo: un cuaderno, un lápiz, una paleta, etc. • Vasos de diferentes tamaños • Un recipiente grande • Agua (cantidad necesaria) • 1 regla graduada Procedimiento: 1. Pida a cada grupo que elija un objeto alargado y un vaso. Estos objetos serán las unidades de medida de longitud y volumen, respectivamente. Los objetos deben ser diferentes entre los grupos. Que escojan un patrón de medida, por ejemplo, una paleta. Que comparen el tamaño de la paleta con otros objetos y que escriban la medida relativa. Por ejemplo, el marco de la ventana puede equivaler a 10 paletas. El borde del pupitre puede medir 15 paletas, etc. 2. Que construyan una tabla con la lista de los objetos que puedan identificar en el aula. En la segunda columna de la tabla que indiquen cuánto mide el objeto que han escogido a través del instrumento de medición que se ha seleccionado. Que midan luego con una regla graduada en centímetros los mismos objetos (Tabla 5). 3. Muéstreles un vaso pequeño. Preguntar: ¿Se podrá medir la cantidad de agua que contiene un recipiente grande con el vaso? ¿Cómo lo medirían? Que deduzcan el uso del vaso para medir la cantidad de agua (por ejemplo, un recipiente grande equivale o contiene 4 vasos de agua). 4. Anote las longitudes en la pizarra de los diferentes objetos medidos, así como el número de veces que se tuvo que utilizar el vaso para llenar el recipiente más grande. Recuerda que a pesar de que se está midiendo el mismo objeto, cada uno de los valores dados es diferente. 5. Compara esto con los diferentes tipos de unidades de medida que existen para la misma

magnitud. Preguntar: ¿Qué sucedería si se usaran diversas unidades para medir? Sería complicado ponerse de acuerdo, por esto es más útil tener unidades en común. Tabla 5. Resultados de la medición de algunos objetos que se encuentran en el aula.

Objeto

Medición (con otros objetos)

Medición (con regla)

Ventana Pizarra Puerta Recipiente (agua)

6. Cada grupo deberá luego medir la longitud de un objeto diferente que se encuentre en el aula y anotar las medidas obtenidas en la pizarra. ¿Qué pueden hacer si lo que quieren es saber esa medida pero en una unidad diferente, sin tener que medir nuevamente el objeto? Nota: Introduzca el concepto de equivalencias y de factores de conversión. Realice un ejemplo de conversión y pida a los estudiantes que conviertan las medidas restantes. 7. Cuando hayan terminado de realizar las conversiones preguntar: ¿Cómo podrían evitar tener que realizar esas conversiones? La idea es que concluyan que si todos utilizaran un solo grupo de unidades no habría necesidad de hacer conversiones. Con esto se puede introducir la necesidad de usar el Sistema Internacional de Unidades. 8. Entre todos los grupos elijan varias unidades que han creado y reproduzcan esas unidades para usarlas cada grupo por separado (utilice la unidad escogida de medida, por ejemplo la paleta, y reproduzca su tamaño, con una cartulina de igual tamaño al original). Nota: Con esto puede explicar cómo es que se utiliza la misma medida de longitud (el metro) aun sin tener el objeto original que lo define. Explique cuáles son los patrones del Sistema Internacional de Unidades. 1. 2. Reconozcamos unidades de medida (Tiempo aproximado: 15 minutos) El objetivo de esta actividad es que el estudiante reconozca las diferentes unidades de medición. Procedimiento: 1. Identifica las magnitudes físicas en las siguientes oraciones: a. Un limón cayó desde una rama que se halla a 3 metros (m) del suelo. b. Hoy compré 1 kilogramo (kg) de azúcar. c. En la pila de mi casa cabe 1 metro cúbico (m3) de agua. d. Hoy bebí un litro (L) de leche. e. En la caja de té vi que cada bolsita contiene 1 gramo (g). f. Tardé 30 minutos (min) en copiar la lección. 2. Ordena las magnitudes físicas con su valor numérico y su unidad correspondiente. Completa la Tabla 6: 26

Tabla 6. Resultados de la actividad 2.

Magnitud

Valor numérico (cantidad)

Unidad

Longitud

Metros

Masa

Kilogramos

Volumen

Metro cúbico

Volumen

Litro

Longitud

Kilómetro

Masa

Gramo

Tiempo

minutos

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con... Matemática El objetivo de esta actividad es lograr que el alumno utilice su capacidad de medición calculando áreas y utilizando ecuaciones. Materiales: • 1 lápiz • 1 regla Figura 3. Un triángulo y un rectángulo.

Procedimiento: 1. Dibujen un triangulo y un rectángulo en el cuaderno. Indíqueles que midan sus lados y en el caso del triángulo también la altura (explicar que esa es una medida que pueden realizar directamente sin necesidad de hacer ningún cálculo; por lo tanto la unidad que se usa es una unidad fundamental) (Fig. 3). 2. Indíqueles que calculen las áreas de esas figuras (explicar que debido a que ahora están realizando una operación para obtener la medida, la unidad es derivada). REFERENCIAS 1. Crowell, B. [2008] Conceptual Physics. Canadá: Editorial Creative Commons. 2. Muriel, M. [1993] Physics Experiments for Children. Estados Unidos: Dover publications.

ÂĄVeamos quĂŠ hemos aprendido! 1. Responde lo siguiente: 1. ÂżCuĂĄl es la diferencia entre unidad de medida e instrumento de medida? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. Haz un listado de unidades de longitud: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3. Escribe un listado con cinco instrumentos de medida: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. Completa el siguiente cuadro usando el listado de palabras que se presentan al lado del cuadro. Escribe en la primera columna las magnitudes, en la segunda columna, su unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en la tercer columna, otra unidad para esa magnitud no perteneciente al Sistema Internacional.

• Longitud • Masa • Tiempo • Área • Volumen • Metro • Kilogramo • Segundo • Metro cuadrado • Metro cúbico • Vara • Arroba • Día • Hectárea • Litro

Magnitud

Unidad SI

Otra unidad

Lección 2

3 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Calor y Temperatura OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Diferenciar el concepto de calor y de temperatura. 2. Identificar los cambios de fase. 3. Relacionar los cambios de fase con la transferencia de calor. HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Entiende el significado de calor y de temperatura. 2. Entiende cómo se produce una dilatación térmica. 3. Identifica cuando hay un cambio de fase. TEMAS Y SUBTEMAS 1. Calor y temperatura 2. Dilatación térmica 3. Dilatación lineal 4. Dilatación superficial 5. Cambios de fase

Figura1. La energía solar calienta la superficie de nuestro planeta. La Tierra emite luego radiación térmica lo que le permite enfriarse. El color rojo de esta imagen de la NASA, es la radiación térmica que emana y las partes azules son nubosidad.

DESCRIPCIÓN Es común que se usen indistintamente los términos calor y temperatura en el habla cotidiana. En física, en cambio, los dos términos tienen significados muy distintos. En esta lección definiremos la temperatura en términos de su medición y veremos cómo los cambios de temperatura pueden afectar las dimensiones de los objetos. Además, estudiaremos que el calor se refiere a la transferencia de energía causada por las diferencias de temperatura.

CONCEPTOS CLAVES Temperatura: Es la medida de la energía cinética promedio con que se trasladan las moléculas que forman una sustancia (Fig. 3).

Figura 3. Moléculas en traslación.

Dilatación térmica: Es el cambio de longitud, volumen o superficie que sufre un cuerpo por el incremento de temperatura (Fig. 4).

Figura 4. Algunos materiales se expanden al aumentar la temperatura.

Calor: Es la energía en tránsito desde un cuerpo que tiene mayor temperatura hacia otro con menor temperatura (Fig. 5).

Figura 5. Transferencia de energía: el cuerpo A se halla a mayor temperatura que el B.

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Calor y temperatura El concepto de temperatura se origina en las ideas cualitativas de "caliente" y "frío" basadas en el sentido del tacto. Un cuerpo que se siente caliente suele tener una temperatura más alta que un cuerpo similar que se siente frío. Esto es un tanto vago y los sentidos pueden engañarnos. Muchas propiedades de la materia que podemos medir dependen de la temperatura, por ejemplo, la longitud de una barra de metal, la presión de vapor en una caldera y el color de un objeto brillante muy caliente. La temperatura también se relaciona con la energía cinética de las moléculas de un material. Para usar la temperatura como medida de calidez o de frialdad, necesitamos construir una escala de temperatura. Para ello, podemos usar cualquier propiedad medible de un sistema que varíe con su “calidez” o “frialdad”. La Figura 2A muestra un sistema común para medir la temperatura: cuando el sistema se calienta, el líquido colorido (usualmente mercurio o etanol) se expande y sube por el tubo capilar y el valor de L aumenta. Otro sistema sencillo es una cantidad de gas en un recipiente de volumen constante (Fig. 2B). La presión “p” medida por el manómetro aumenta o disminuye al calentarse o enfriarse el gas. Todas estas propiedades nos dan un número (L, p) que varía con la calidez y la frialdad por lo que pueden utilizarse para hacer un termómetro.

Figura 2. A. Sistema cuya temperatura se especifica con el valor de la longitud L; B. Sistema cuya temperatura está dada por el valor de la presión p.

Para medir la temperatura de un cuerpo se pone el termómetro en contacto con él. Si queremos saber la temperatura de una taza de café introducimos el termómetro en él. Al interactuar los dos el termómetro, se calienta y el café se enfría un poco. Una vez que el termómetro se estabiliza, leemos la temperatura. El sistema está en una condición de equilibrio debido a que la interacción entre el termómetro y el café ya no causa un cambio en el sistema (Fig. 6). Figura 6. El equilibrio térmico permite que a través de la transferencia de energía, se llegue a una temperatura de equilibrio.

Fase: La descripción de un estado específico de la materia como el sólido, líquido o gas. Cambio de fase se denomina a la transición de una fase a otra (Fig. 7).

A este estado se le llama equilibrio térmico. Si dos sistemas están separados por un material aislante como la madera, la espuma de plástico o la fibra de vidrio, se afectan mutuamente con más lentitud. Las hieleras se fabrican de materiales aislantes para retardar el calentamiento del hielo y de la comida en su interior, ya que intentan alcanzar el equilibrio térmico con el aire circundante. Un aislante ideal es un material que no permite la interacción entre los dos sistemas evitando que alcancen el equilibrio térmico si no estaban en él inicialmente. Los aislantes ideales no existen. Los aislantes reales, como el de las hieleras, no se comportan de manera ideal. Luego de un tiempo se calienta el contenido de la hielera. Si metemos una cuchara fría en una taza de café caliente, la cuchara se calienta y el café se enfría para acercarse al equilibrio térmico. La interacción que causa estos cambios de temperatura es una transferencia de energía de una sustancia a otra.

Figura 7. Los cambios de energía sobre la materia acompañan los cambios de fases. La sublimación es un cambio donde la materia pasa de estado sólido a gaseoso, sin pasar por estado líquido.

La transferencia de energía que se da exclusivamente por una diferencia de temperatura se llama transferencia de calor. A esta energía se le llama calor. Dilatación térmica Casi todos los materiales se expanden al aumentar su temperatura. El aumento en la temperatura hace que el líquido se expanda en los termómetros (Fig. 2A) y que las tiras bimetálicas se doblen (Fig. 8). Las cubiertas de los puentes necesitan articulaciones y soportes especiales que den margen a la expansión. Una botella totalmente llena de agua y tapada puede romperse al calentarse. Podemos aflojar la tapa metálica de un frasco vertiendo agua caliente sobre ella. Éstos son algunos ejemplos de expansión térmica.

Figura 8. A. Una tira bimetálica. B. La tira se dobla al aumentar su temperatura.

Dilatación lineal Supongamos que una varilla de metal tiene longitud L0 a una temperatura inicial T0 (Fig. 9A). Si la temperatura cambia en ∆T, la longitud cambia en ∆L . Se observa experimentalmente que si ∆T no es muy grande (digamos, menos de 100°C), ∆L es directamente proporcional a ∆T. Si dos varillas del mismo material tienen el mismo cambio de temperatura, pero una es dos veces más larga que la otra, su cambio de longitud también será del doble. Por tanto ∆L también debe ser proporcional a L0.

Figura 9. A. Dilatación lineal, B. superficial y C. volumétrica, respectivamente.

Dilatación superficial Supongamos que una lámina de metal tiene una superficie S0 a una temperatura inicial To (Fig. 9B). Si la temperatura cambia en DT, la superficie cambia en DS. Se observa experimentalmente que si DT no es muy grande (digamos, menos de 100°C) DS es directamente proporcional a DT. La dilatación térmica depende del material; por ejemplo la dilatación no será igual para una barra de hierro que para una de aluminio.

La dilatación depende de un parámetro propio de cada material y dicho parámetro es denominado coeficiente de expansión lineal, relacionado para las dilataciones superficiales y volumétricas. Cambios de fase Usamos el término fase para describir un estado específico de agregación de la materia como sólido, líquido o gas. El agua (H2O) existe en la fase sólida como hielo, en la fase líquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua (también llamamos a estos estados de la materia: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso). Una transición de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor y un cambio de volumen y densidad. Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si se agrega calor a un bloque de hielo a 0°C y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta. En lugar de ello, parte de él se funde para formar agua líquida. Si agregamos el calor lentamente manteniendo el sistema muy cerca del equilibrio térmico, la temperatura seguirá en 0°C hasta que todo el hielo se haya fundido (Fig. 10). El efecto de agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura sino cambiar su fase de sólida a líquida.

Figura 10. El aire circundante está a temperatura ambiente, pero esta mezcla de hielo y agua se mantiene a 0 °C hasta que todo el hielo se funde y el cambio de fase es total.

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Diferencia entre “frío” y “caliente” (Tiempo aproximado: 30 minutos) Con esta actividad se pretende que el estudiante conozca el concepto de temperatura. Formar grupos de 3 ó 4 estudiantes y repartirles los materiales que necesitarán. Materiales: • 3 recipientes de plástico medianos • 1 cocina eléctrica • 3 globos • 1 recipiente de vidrio resistente al calor • 1 taza de: agua caliente, agua tibia y agua helada • 1 termómetro

El cuerpo humano puede reconocer los cambios de temperatura de forma cualitativa (Fig. 11).

Procedimiento: 1. Cada equipo deberá tener tres recipientes medianos. 2. En uno de los recipientes vierte agua caliente (la temperatura del agua no deberá sobrepasar los 39°C); en otro agua tibia (aproximadamente de 25 a 27°C) y en el tercer recipiente vierta agua helada (aproximadamente a 10°C). Nota: Está actividad debe ser rápida antes de que el agua alcance el equilibrio térmico.

Figura 11. Estudiante detectando diferentes temperaturas

Algunas respuestas a las preguntas planteadas en la Actividad 1 Cuando los cuerpos logran la misma temperatura, se dice que han llegado al equilibrio térmico. Cuando colocamos las manos en agua tibia, es un fenómeno que busca el equilibrio térmico, debido que nuestras manos están a una temperatura menor; es decir una mano cede energía y la otra lo recibe (Fig. 12).

Figura 12. Esquema de cómo rotular las temperaturas de los cuerpos

3. Que los estudiantes introduzcan una mano en el recipiente que contiene agua fría y la otra mano en el recipiente con agua caliente; cuando logren identificar el frío y lo caliente, deberán introducir las dos manos juntas en otro recipiente con agua tibia (Fig. 11). 4. Preguntar: ¿Cómo perciben el agua contenida en el tercer recipiente, caliente o fría? Para la mano que un inicio estaba sumergida en agua fría, la sentirán caliente, pero para la mano que al principio la tenían en agua caliente, la sentirán fría. Esta confusión sirve para introducir la necesidad de utilizar instrumentos para medir la temperatura ¿Conocen el nombre del instrumento que sirve para medir la temperatura? ¿En qué momento alcanza el equilibrio térmico cuando introduce la mano en el agua fría? ¿Qué sucede cuando se introducen las manos en el agua tibia? ¿Qué pasaría si se sustituye el agua por una sustancia sólida? 5. Indíqueles que dibujen los esquemas de la actividad, identificando los cuerpos de mayor temperatura y de menor temperatura. Con flechas que indiquen la dirección del flujo de calor. Enfatizar: El cuerpo que está a mayor temperatura decimos que “está más caliente” y a veces, erróneamente, se dice “que tiene más calor”. Los cuerpos no tienen calor. Calor es la energía que se transfiere de un cuerpo hacia otro debido a un cambio de temperatura.

y la flecha que indica la dirección del flujo de calor.

2. Cambios de fase (Tiempo aproximado: 45 minutos) En la primera parte de esta actividad deberá participar la mayoría de los estudiantes. La segunda parte podrá hacerse en forma demostrativa.

Algunas respuestas a las preguntas planteadas en la Actividad 2 Con esta actividad se observa el cambio de fase de sólido a líquido. Si fuera posible se debería utilizar la misma agua líquida obtenida por el hielo puesto al Sol. Ya que el aire se expande al calentarse, hace que el globo se infle.

Procedimiento: 1. Colocarse todos los estudiantes en círculo y váyanse pasando un cubo de hielo. Cuando llegue al último estudiante, el cubo de hielo se habrá derretido. Preguntar: ¿Qué le ocurrió al cubo de hielo? Las respuestas podrían ser “se convirtió en líquido”, “se ha derretido”, “pasó del estado sólido al estado líquido”, “cambió de fase sólida a fase líquida”, etc. 2. Coloque el recipiente resistente al calor sobre la cocina eléctrica y coloque un globo en la boca del recipiente (Fig. 13). 3. Encienda la cocina y observen lo que pasa. Preguntar: ¿Qué pasa con el globo? ¿Se mantendrá el globo de la misma forma si apagamos la cocina?

Al apagar la cocina llega un momento cuando el aire vuelve a su volumen inicial y se desinflará el globo.

Figura 13. Montaje experimental.

3. Globo incombustible (Tiempo aproximado: 20 minutos) Hacer esta actividad en grupos de tres estudiantes con el objetivo de comprender las transferencias de calor en los diferentes materiales. Materiales: • Fósforos • 1 vela • 2 globos • Agua (cantidad necesaria) Procedimiento: 1. Indique a los estudiantes que inflen un globo con aire y otro que lo llenen con agua. 2. Encender una vela y que acerquen ambos globos a la llama. Primero que acerquen el globo lleno con aire y luego el globo conteniendo agua. Preguntar: ¿Qué pasa con los globos? El primero explota rápidamente.

El segundo no explota. Solo se oscurece la parte del globo en contacto con la llama. ¿Cómo se explica lo ocurrido? Que escriban sus interpretaciones en el cuaderno y luego que lo discutan con el resto de la clase. Qué sucedió: Cuando se acerca el globo lleno de aire a la llama, éste explota inmediatamente. Esto se debe a que el conjunto adquiere rápidamente la temperatura de la llama, que va desde los 800ºC a los 1,400ºC. A esta temperatura, el plástico con que está elaborado el globo (polietileno) se funde, ya que su punto de fusión está en torno a los 110ºC. Al acercar el globo lleno de agua a la llama, el calor de la llama es absorbido por el plástico y por el agua. Pero al llegar a 100ºC, el agua absorbe toda la energía necesaria para cambiar de estado líquido a gaseoso. Por esto, la temperatura del conjunto no sube por encima de este valor y el polietileno no se funde. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Matemáticas 1. Indique a los estudiantes que recolecten objetos alrededor de su centro de estudio; luego, en grupos de cuatro estudiantes, utilizando un termómetro deben medir la temperatura de los objetos y clasificar aquellos que están más fríos que otros. Que los clasifiquen en orden descendente. 2. Que construyan un gráfico poniendo el nombre en el eje “x” y luego, los valores de temperatura en el eje “y”. Que expliquen a los demás compañeros porqué realizaron esa clasificación. 3. Que coloquen luego los objetos fríos junto a objetos calientes. Después de un tiempo, que midan la temperatura y describan qué sucede. Que dibujen cómo se transfiere la energía de un cuerpo a otro. REFERENCIAS 1. Crowell, B. [2008] Conceptual Physics. Canadá: Creative Commons. 2. Muriel, M. [1993] Physics Experiments for Childre. Estados Unidos: Dover Publications. 3. Sears, Zemansky, Young [2009] Física Universitaria. 11 Edición. Estados Unidos.

¡Veamos qué hemos aprendido! 1. Lee el problema que se te plantea y responde las preguntas de abajo: “Edwin llega a su casa motivado por sus clases de calor y temperatura y quiere saber qué sucede si coloca dos recipientes de materiales diferentes cerca de una llama. Los recipientes tienen hielo en su interior. Un recipiente es metálico y el otro de madera y Edwin procura no ponerlos en contacto de forma directa con la llama. Sólo los mantiene cerca. Edwin necesita ayuda para responder algunas interrogantes que le surgieron durante la experiencia que ha realizado y desea que le colabores para encontrar la respuesta correcta”. 1. ¿Qué sucede con el hielo en el recipiente metálico? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. ¿Qué sucede con el hielo en el recipiente de madera? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Qué sentirá si toca ambos recipientes simultáneamente? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el mejor aislante: el recipiente metálico o la madera? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿Por qué el hielo se convierte en agua? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 38

Lección 3

6 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Materiales gaseosos OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Aplicar el modelo de partículas de la materia para comprender las propiedades del estado gaseoso. 2. Identificar las propiedades del estado gaseoso.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Utiliza el modelo de partículas para explicar el estado gaseoso. 2. Identifica las características de los gases. 3. Interés por aprender a representar fenómenos por medio de dibujos y esquemas.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Propiedades generales 2. Propiedades específicas

DESCRIPCIÓN La materia en estado gaseoso se encuentra a nuestro alrededor. Por ejemplo, la atmósfera es una enorme capa de gases que rodea la Tierra. Los gases son partículas (átomos o moléculas) que se encuentran en desorden (a diferencia de los sólidos y líquidos cuyas moléculas se encuentran cercanas entre sí). Las partículas gaseosas se encuentran muy separadas unas de otras y poseen mucha energía. Una característica de los gases es que, a diferencia de los sólidos y los líquidos, pueden ser comprimidos; por ejemplo, el dióxido de carbono que se escapa cuando se destapa una lata de refresco de soda. En esta lección finalizaremos el estudio de los estados de la materia con el estado gaseoso. Reconoceremos sus características y sus principales propiedades. Figura 1. El gas propano reaccionando con el gas oxígeno.

CONCEPTOS CLAVES Gas: Es un estado de la materia que no tiene forma ni volumen definido. Sus partículas se encuentran muy separadas unas de otras, por existir poca atracción entre ellas. Asimismo, poseen energía cinética suficiente para ejercer presión sobre el recipiente que los contiene (Fig. 2).

Figura 2. Las partículas de un gas se mueven libremente.

Difusión: Es la mezcla gradual de las moléculas de un gas con moléculas de otro gas, en virtud de sus propiedades cinéticas. Efusión: Es el proceso por el cual un gas bajo presión escapa de un recipiente al exterior a través de una pequeña abertura. Fluidez: Es la capacidad de los gases para moverse de manera progresiva hacia un lugar o pasar por orificios pequeños. 40

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Los gases El estado gaseoso es uno de los estados de la materia. El aire en la atmósfera de la Tierra es una mezcla de distintos tipos de gases tales como el nitrógeno (N2), oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O(v)), entre otros. Los gases en general, tienen una menor densidad (concentración de materia en un volumen dado) que los líquidos y los sólidos. Generalmente no tienen una forma definida al igual que los líquidos. Si un gas es encerrado en un recipiente tomará la forma de éste. El volumen de un gas es dependiente de la presión y la temperatura a la cual se encuentra. Si cambia la temperatura y la presión el volumen de un gas cambia. Existen varias leyes científicas, llamadas “Leyes de los gases” que describen como está relacionado el volumen, la temperatura y la presión. A mayor temperatura, mayor volumen y a mayor presión, menor volumen. Las moléculas o los átomos en un gas están separados en extremo, mucho más que en un sólido o en un líquido. Las moléculas o átomos de los gases usualmente se mueven a grandes velocidades (con respecto a la velocidad de los átomos y moléculas de los sólidos y los líquidos), ocasionalmente rebotando unas con otras o con las paredes del recipiente que los contiene, ejerciendo una presión sobre éste. Cuando un gas se somete a una menor temperatura o baja presión, puede condensarse y pasar al estado líquido. Si un líquido ebulle (hierve) o se evapora, se convierte en un gas. Bajo algunas circunstancias (baja presión, temperatura alta) un sólido puede pasar directamente a gas (sin derretirse primero y pasar al estado líquido). Cuando un sólido pasa directamente al estado gaseoso, se da un fenómeno llamado sublimación (no todos los sólidos presentan esta característica). La mayor parte del aire en la atmósfera de la Tierra, como ya se mencionó, está compuesto por nitrógeno y oxígeno. Actualmente el gas dióxido de carbono ha aumentado su concentración en la atmósfera de la Tierra por el uso indiscriminado de combustibles fósiles y es el causante del efecto de invernadero (este gas no permite que el calor se disipe hacia el espacio, atrapándolo y calentando la atmósfera de la Tierra), provocando el calenta-

miento global que está transformando gravemente el clima de nuestro país y del mundo entero. Como ya se mencionó, en los gases las partículas se mueven en forma desordenada, provocando choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene (ejerciendo una presión). Esto explica las propiedades físicas generales de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo que ocupan todo el espacio disponible. Un gas con cierto volumen puede ser comprimido al aplicarle presión. La masa del gas no cambia, únicamente su volumen. La compresibilidad tiene un límite. Si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas, este pasará al estado líquido. Los gases, al igual que los líquidos, no tienen forma fija, pero a diferencia de éstos su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos. En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. Ya sabemos que al calentar un líquido, este se convierte en vapor o en gas. En este proceso, la energía cinética y el espacio entre las partículas aumentan, por lo que se mueven libremente en el recipiente que las contiene. Esta libertad de movimiento es la razón por la cual los gases presentan las propiedades de difusión y efusión. La efusión y la difusión son dos formas de como los gases se mezclan con otros gases. La difusión es un proceso que sucede al entrar un gas a un recipiente que contiene otro gas y se mezclan para formar una mezcla uniforme (Fig. 3). La efusión acurre cuando un gas se mueve a través de un agujero pequeño en el recipiente que lo contiene (Fig. 4 y 5). Figura 3. Difusión de un gas.

Figura 4. Efusión de un gas.

En resumen, las propiedades de los gases son: • No poseen volumen constante ni forma permanente. • Tienen masa. • Poseen densidades bajas. • Se expanden considerablemente al calentarse. • Presentan compresibilidad alta. • Son fluidos. • Sus partículas poseen alta energía. • Sus fuerzas entre las partículas son débiles y por eso se mueven libremente. • Un gas llena el recipiente que lo contiene. • Ejercen presión sobre el recipiente que los contiene.

Figura 5. Un globo se desinfla por la efusión del gas.

Materiales: • Desodorante ambiental. • Perfume. • Globos o bolsas plásticas pequeñas.

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Propiedades generales de los gases Actividad 1 (Tiempo aproximado: 90 minutos) Comience la clase preguntando a sus estudiantes qué es lo que respiran. Solicíteles que agiten su mano frente a su cara y pregúnteles: ¿Qué sienten? Discuta y concluya que aunque no puedan ver el aire frente a ellos, pueden sentirlo como una brisa en su piel. Escriba en la pizarra el titulo de la lección: Los gases. Rocíe un desodorante ambiental o un perfume en el salón. Pídale a sus estudiantes de la parte posterior del salón de clases que levanten la mano cuando perciban el olor. El perfume se difundirá por el salón y dependiendo del tamaño del salón, los estudiantes levantarán la mano a intervalos. Pregúnteles: ¿Cómo creen que el olor (gas) llegó hasta la parte de atrás? Introdúzcales el estado gaseoso de la materia. Haga un resumen de las características del estado sólido y líquido y compárelos con el estado gaseoso. Explíqueles que las moléculas de gas tienen mayor energía cinética y por eso se mueven con mayor rapidez que las moléculas en los otros estados. Así, al estar sus partículas en estado de desorden, se mueven en todas direcciones, llegando a todas las partes del salón.

Figura 7. Ejemplos de gases.

Solicíteles que dibujen en su cuaderno las moléculas del gas (desodorante ambiental o perfume) como esferas moviéndose a través del salón, bajo el título de “Los gases” (Fig. 6).

Figura 6. Difusión de un gas en el salón de clases.

Figura 8. Se infla el globo que está dentro de una botella transparente.

Pregunte al grupo qué gases conocen y elabore una lista en la pizarra, la cual, deberán anotar en su cuaderno; por ejemplo, podrán mencionar el gas para cocinar, el aire, el humo que sale los carros, el humo de una vela, el aroma de una flor, etc. (Fig. 7). Luego, procedan a inflar globos o bolsas plásticas; pregúnteles: ¿Por qué se expanden? Porque los gases son materia y como tal, ocupan un espacio. Introduzca un globo dentro de una botella (esta deberá tener un orificio en el fondo) e ínflelo (Fig. 8).

Los estudiantes deberán observar que el globo adopta la forma del recipiente; debido a que los gases no tienen forma, adoptan la del recipiente que los contiene. Introduzca ahora un globo dentro de una botella sin orificios en el fondo y trate de inflarla: ¿Qué sucede? ¿Qué impide que el globo se infle? Haga un sonido con algún instrumento u objeto. Discuta y concluya que las vibraciones del sonido son transmitidas a través del aire. Sin aire no hay sonido, debido a que es el medio donde se transmite. A través de estas demostraciones sus estudiantes concluirán que aunque el aire no puede ser visto, puede ser percibido. Las moléculas volátiles (olores) se mueven a través del aire y las vibraciones del sonido se transmiten a través del aire. Pídales que anoten en su cuaderno: el aire es un gas, es materia y ocupa espacio. Pueden comprobar el volumen del aire haciendo burbujas de jabón. Esta parte puede ser demostrativa para un mejor orden. En el fondo de un vaso de poliestireno (Durapax®) haga un agujero con un lápiz e inserte una pajilla. Coloque el borde del vaso sobre agua con jabón hasta formar una pequeña película. Sople por la pajilla para hacer burbujas. Pregunte: ¿De qué están llenas las burbujas? ¿Por qué flotan? ¿Cuál es la relación entre la cantidad de aire y el tamaño de las burbujas? Figura 9. Los gases poseen masa.

Materiales: • Recipiente (puede ser un plato). • Vela. • Plastilina. • Vaso transparente. • Agua.

Para demostrar que los gases poseen masa, amarre un pedazo de madera de aproximadamente 30 cm de largo por el centro. Amarre en ambos extremos dos globos, uno vacío y otro lleno de aire. Agarre la madera que funcionará como una balanza por el centro y que observen cómo se inclina hacia el globo lleno de aire. Pueden colocarle un pedazo de plástilina en extremo opuesto del globo inflado hasta alcanzar al equilibrio (Fig. 9). Los estudiantes dibujarán el experimento y concluirán: los gases son materia, tienen masa y ocupan espacio, no tienen forma definida por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene. 2. Composición del aire Actividad 2 (Tiempo aproximado: 45 minutos) Comience explicando que el aire es una mezcla de gases: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua y otros gases en pequeñas cantidades. En esta actividad se demostrará la presencia de oxígeno en el aire. El oxígeno es necesario para

que ocurra una combustión; por ejemplo, en las cocinas que utilizan gas como combustible, la combustión se establece porque el gas propano y el aire (oxígeno) se juntan antes de quemarse en la hornilla. Use plastilina o pegue con cera una vela en el centro de un recipiente. Agregue agua (puede colorear el agua para mejor visualización) hasta aproximadamente 1 cm de altura. Encienda la vela y déjela quemar unos segundos. Coloque alrededor de la vela 4 pedazos de plastilina o monedas, donde se colocará el borde superior del vaso que cubrirá la vela. Coloque el vaso sobre los 4 pedazos de plastilina o monedas, de tal manera que pueda entrar agua al sistema. Los estudiantes deberán observar cuidadosamente la vela. En unos segundos se apagará debido al consumo del oxígeno dentro del vaso; el nivel del agua en él aumenta. Discuta con sus estudiantes y concluyan que la vela se apagó cuando se consumió todo el oxígeno, el cual es uno de los gases que componen el aire (Fig. 10). El agua aumenta de nivel ocupando el espacio del oxígeno consumido. Permita que sus estudiantes dibujen el experimento y expliquen y escriban lo sucedido con sus propias palabras.

Figura 10. El aire contiene oxígeno, el cual es necesario para la combustión.

3. Difusión y efusión de los gases Actividad 3 (Tiempo aproximado: 45 minutos) En esta actividad se estudiarán la difusión y la efusión. Para observar la propiedad de la difusión necesitará un perfume o un desodorante ambiental y una caja de zapatos. Comience la clase explicando que los gases se caracterizan por tener moléculas con mucha energía cinética; es decir, moléculas en continuo movimiento. Expliquéles en qué consiste el concepto de difusión. Para demostrar la difusión de los gases, rocíe un poco de perfume en la caja de zapato y ciérrela. Pase la caja a sus estudiantes y pídales que la abran un poco para sentir el olor. Pregunte: ¿Por qué el olor se siente en toda la caja? ¿Tiene algo que ver la energía cinética de las partículas de los gases? Deberán dibujar las partículas del perfume dentro de la caja. Luego, rocíe un poco de perfume en el salón de clase, y que sus estudiantes vayan levantando la mano según el perfume se difunde por el salón de clases. Salga del salón de clase hacia el patio y rocíe perfume. Pregunte: ¿Llegará el olor hasta el salón de clases? ¿En cuánto tiempo llegará? ¿Si no sienten el olor, adónde se fue? ¿Cuáles son los factores que impidieron que el gas (perfume) llegara hasta el final del salón? En esta parte tendrán que explicar que el gas se difundió en la atmósfera, debido a la gran energía cinética de los gases. Al no estar en un recipiente cerrado los gases se difundieron en todo el espacio posible. Solíciteles que dibujen las tres situaciones bajo el tema:

Difusión de los gases.

Figura 11. Debido a su gran energía cinética, los gases se difunden en todo el espacio posible.

Días antes de esta actividad, infle un globo y muéstreselo a sus estudiantes y dibuje su silueta en la pizarra; luego, guárdelo en un lugar seguro. Saque el globo y explique en qué consiste la efusión de los gases mostrándoles el globo; pídales que comparen el tamaño (volumen) con un globo recién inflado y pregúnteles que creen que sucedió: ¿Por qué el globo es más pequeño? ¿Qué pasó con el aire adentro? ¿Por qué y por dónde se salió? Explíqueles que el material del globo no es totalmente sólido, que posee poros microscópicos por donde las moléculas de aire, debido a su gran energía cinética (movimiento) escaparon por el proceso de efusión. Defina el concepto y que dibujen en su cuaderno el proceso bajo el titulo: Efusión de los gases (Fig. 5).

Figura 12. Efusión del aire por los poros

Pregúnteles qué ejemplos de efusión de gases conocen (por ejemplo, cuando se desinflan las llantas de los carros o de las bicicletas, un globo (Fig. 12). Pídales que inflen una bolsa plástica y le hagan un agujero pequeño; luego, que la aprieten y sientan el aire saliendo. Deberán explicar con sus propias palabras qué es la efusión a través de este ejemplo.

de un globo.

4. Presión ejercida por los gases Actividad 4 (Tiempo aproximado: 45 minutos) En esta actividad se estudiará la presión ejercida por los gases. Los materiales que se necesitarán son: un globo, una botella pequeña, vinagre y bicarbonato de sodio (Fig. 13). Añada vinagre dentro de la botella y agregue una cucharada de bicarbonato. Coloque inmediatamente un globo en

Figura 13. A. Reactivos a utlizar y B. formación de dióxido de carbono (CO2).

la boca de la botella y pídales que observen cómo se infla el globo. Explíqueles que la reacción del vinagre con el bicarbonato produce dióxido de carbono (CO2), un gas cuyas moléculas se mueven rápidamente y ejercen una presión sobre las paredes del globo ocasionando que se infle. A esa presión se le conoce como presión de los gases. Indíqueles que las moléculas de CO2 chocan unas con otras y con las paredes del globo. Permita que dibujen el proceso en su cuaderno bajo el tema: Presión de los gases. Pídales que esquematicen las moléculas de CO2 ejerciendo presión sobre las paredes de la botella y el balón (Fig.14). Para ejemplificar el movimiento cinético de las moléculas de los gases se hará uso de canicas y una tapa redonda de cualquier recipiente. Pueden trabajar en grupos de 3 ó 4 estudiantes. Solicíteles que añadan las canicas a la tapa y que lo muevan. El movimiento de las canicas semeja el movimiento de las moléculas dentro del balón. Deberán observar cómo las canicas chocan unas con otras y con los bordes de la tapa, de la misma manera que las moléculas de los gases chocan unas con otras y con las paredes del balón. Explíqueles que esta energía cinética es lo que hace que las moléculas ejerzan presión sobre el recipiente que los Figura 14. Presión de los contiene y que esto provoca el proceso de efusión si existe un orificio gases. donde puedan salir. Con este experimento pueden resumir algunas propiedades de los gases: movimiento aleatorio y constante, colisiones, las partículas ocupan el volumen y la forma del recipiente que las contiene, las partículas están separadas unas de otras, etc. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Salud Cuando los humanos en la antigüedad iban de cacería, tenían que usar el sentido del olfato para perseguir a sus presas. Actualmente, por la relativa facilidad de obtener los alimentos y satisfacer nuestras necesidades básicas, ya no ponemos mucha atención a la variedad de olores que nos rodean. Los olores que percibimos son moléculas en estado gaseoso que se difunden a través del aire y llegan hacia nuestro sentido del olfato. El sentido del olfato es un sentido que se comunica directamente con las regiones de la memoria del cerebro sin pasar por las áreas lingüísticas; por ejemplo, un aroma recuerda “memorias”. El sentido del olfato nos permite reconocer personas, aunque este no es el objetivo principal. Los animales tienen mejor desarrollado este sentido, debido a que su sobrevivencia depende de él. Nuestra piel posee un aroma personal el cual muchas veces escondemos detrás de los perfumes

y desodorantes. Los aromas (moléculas gaseosas) son beneficiosas ya que muchas veces nos pueden salvar la vida. Reconocemos cuando algo está descompuesto por el olor que emanan las sustancias (moléculas en estado gaseoso). En esta actividad reconoceremos nuestro sentido del olfato, nuestra capacidad de percibir moléculas en estado gaseoso e identificarlas. Consiga una serie de plantas aromáticas: romero, cebolla, ajo, limón, naranja, hierbabuena, canela, clavos, grama cortada, ruda, anís, orégano, jengibre, mirto, verbena, etc. (Fig. 15). Explíque a sus estudiantes que el olor de la materia proviene de moléculas en estado gaseoso. Los olores son “gases”. Coloque cada una de las especies en un recipiente pequeño y llame a un estudiante. Tápele los ojos y pídale que reconozca los olores uno a uno. En la pizarra escriba los nombres de los concursantes, el estudiante que reconozca la mayor cantidad de olores es el ganador.

Figura 15. Plantas aromáticas: A. ajo, B. limón, C. clavos de olor, D. rosa, E. menta y F. rajas de canela.

REFERENCIAS 1. Garrido, A., Gailey, K.1 [1990] Fundamentos de Química Biológica. España: Interamericana Mc Graw-Hill. 2. Levine, S., Johnstone, L. [1997] Ciencia con Todo. Experimentos simples con las cosas que nos rodean. Argentina: Editorial Albatros, SACI. 3. Video [s.f.] Experimento de la vela. Extraído en octubre de 2010 desde http://www.youtube. com/watch?v=sjxUwDTkd4g 4. Video [s.f.] Reacción del vinagre y bicarbonato. Extraído en octubre de 2010 desde http://www. youtube.com/watch?v=k6G88HlqduE&feature=related

¡Veamos qué hemos aprendido! 1. Dibuje en cada uno de los frascos de abajo cómo luciría si tuviesen aire, agua y arena respectivamente, desde el punto de vista macroscópico:

2. Dibuje los mismos compuestos del numeral anterior, cómo se verían las partículas desde el punto de vista microscópico:

3. Si posee un globo lleno de aire y gentilmente lo aprieta en el centro: ¿Qué sucedería? ¿Qué cambiará? ¿Qué permanece igual?

4. ¿Por qué es más fácil caminar en una atmósfera de aire, que dentro del agua?

5. El término usado para el paso de un líquido a gas es: _________________.

6. Las botellas de espray de diversos productos indican “que se tenga la precaución de no exponerlas a altas temperaturas, no colocarlas cerca del fuego, ni dejarlas mucho tiempo en el Sol”. Según las propiedades de los gases estudiadas, ¿por qué no es recomendable someter a los gases contenidos en un recipiente a altas temperaturas? (Recordar la energía cinética).

Lección 4

3 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Elementos fundamentales para la vida: Oxígeno OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Identificar al oxígeno como gas. 2. Comprender la importancia del oxígeno en la respiración aeróbica. 3. Valorar la importancia del oxígeno disuelto en el agua. TEMAS Y SUBTEMAS 1. El oxígeno: características generales 2. El oxígeno en el aire 3. El oxígeno en el agua

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS: 1. Clasifica al oxígeno como gas. 2. Asocia las propiedades de los gases con las del oxígeno. 3. Comprende la necesidad del oxígeno en los seres vivos. 4. Valora la importancia de conservar limpios los cuerpos de agua.

DESCRIPCIÓN El oxígeno circula tanto en el aire como en el agua. Es producido en la fotosíntesis, entra al agua con el movimiento de ésta, y es usado en la respiración. El oxígeno disuelto (OD) es la cantidad de oxígeno disuelto en el agua, entra al agua por difusión, moviéndose de áreas de alta concentración a otras de baja concentración. Algunos organismos necesitan del oxígeno en alguna forma para sobrevivir, se conocen como organismos aeróbicos; sobreviven y crecen en un ambiente oxigenado. En los organismos anaeróbicos la respiración se hace en ausencia de oxígeno. Figura 1. El oxígeno es esencial para la vida en la Tierra.

CONCEPTOS CLAVES Oxidación: Es la interacción entre las moléculas de oxígeno con diferentes sustancias como los metales y materia orgánica. Esto ocurre por la pérdida de electrones de un elemento o compuesto cuando interacciona con otro elemento o un compuesto que gana electrones (en este caso el oxígeno). Combustión: Es una reacción química que libera calor entre una sustancia o mezcla de sustancias llamada “combustible” con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama; es decir, una masa gaseosa incandescente que emite luz y calor (Fig. 3).

Figura 3. Si se realiza una fogata se efectúa una combusión.

Oxígeno Disuelto (OD): Es la cantidad de oxígeno disuelto en el agua. Indica cuán contaminada está el agua; un nivel alto indica agua de mejor calidad.

¿Qué debería usted saber sobre el tema? El oxígeno El oxígeno es un elemento químico con un número atómico de 8 (posee 8 protones y 8 electrones). Es un gas incoloro y esencial para la vida en la Tierra; es ligeramente soluble en agua, lo suficiente como para permitir la presencia de la vida en el medio acuático. El oxígeno se combina con muchos otros elementos a través del proceso de oxidación (es una reacción donde el oxígeno gana electrones provenientes de los otros elementos). Es uno de los elementos más abundantes que se encuentran en la Tierra, conformando aproximadamente el 21% de la atmósfera. Como compuesto, el oxígeno está presente en el agua, en las plantas, los animales y la mayoría de los materiales sólidos que componen la Tierra. Miles de compuestos poseen oxígeno, junto con el carbono, hidrógeno y otros elementos (por ejemplo, el almidón, el azúcar, la grasa, las proteínas, etc.). El oxígeno puede ser obtenido al calentar ciertos compuestos que lo contienen, por electrólisis del agua o al licuar y destilar el aire. Propiedades del oxígeno El oxígeno es un gas incoloro, inoloro y sin sabor. Es ligeramente más pesado que el aire. Se presenta en la naturaleza como la molécula de O2, casi nunca como oxígeno: O. En algunos casos, tres átomos de oxígeno se combinan para formar el ozono (O3). El ozono es importante en las capas superiores de la atmósfera ya que previene que los dañinos rayos ultravioleta (UV) afecten la vida en la Tierra. Cerca de la superficie terrestre, el ozono es considerado como un gas irritante y como parte de la contaminación del aire. Aunque solamente una pequeña parte del oxígeno se disuelve en el agua, aproximadamente 4 partes de oxígeno por cada 100 partes de agua, es suficiente para las necesidades vitales de un vasto número de seres vivos que habitan los océanos, lagos y ríos (Fig. 2). Aunque, el oxígeno es gas a temperatura ambiente, puede ser licuado a temperaturas bajas extremas tal como -183oC, en donde cambia al estado líquido azul pálido. Figura 2. Oxígeno disuelto en agua.

Cuando se calientan suficiente en el aire, muchos materiales se combinan con el oxígeno en el aire y se queman; por ejemplo, cuando el carbón (carbono, C) se quema: C + O2 CO2. Cuando los materiales que contienen carbono se queman, producen dióxido de carbono (CO2), como producto. El oxígeno en la naturaleza Como ya se mencionó, casi todos los seres vivos necesitan del oxígeno para sobrevivir. La mayoría usa el oxígeno durante el proceso de respiración, el cual genera energía en las células. Así como el agua se mueve de la atmósfera a la Tierra y viceversa en el ciclo hidrológico, el oxígeno también desenvuelve un ciclo a través del ambiente. Las plantas marcan el comienzo del ciclo del oxígeno. Las plantas poseen la habilidad de usar la energía del Sol para convertir el dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) en carbohidratos y oxígeno en el proceso de la fotosíntesis. Es decir, que las plantas absorben CO2 y liberan O2. Los organismos del reino animal respiramos el oxígeno que usamos para obtener energía de los carbohidratos en un proceso denominado respiración. El CO2 se produce durante la respiración, el cual es absorbido por las plantas para continuar con el ciclo (Fig. 4). Aproximadamente dos tercios del oxígeno que respiramos es producido por pequeñas algas en los océanos a través del proceso de la fotosíntesis. Figura 4. Esquema del ciclo del oxígeno.

Así como los animales terrestres, los peces y otros organismos acuáticos necesitan del oxígeno para sobrevivir. Según el agua se mueve a través de sus agallas, burbujas microscópicas de oxígeno en el agua, llamadas Oxígeno Disuelto (OD), son transferidas del agua a su sangre. El oxígeno se transfiere al agua por medio del proceso de la difusión, el cual estudiamos en la lección anterior. Al agitar el agua se disuelve mayor cantidad de oxígeno, debido a que una mayor área superficial facilita la difusión. Otro aspecto físico que afecta las concentraciones de OD es la temperatura del agua: el agua fría disuelve más gases (en este caso oxígeno) que el agua caliente. Por ejemplo, una soda fría contiene mayor cantidad de gas (CO2) que una soda caliente. Lo mismo sucede en el caso del agua y el oxígeno. De la cantidad de OD dependerá la cantidad de vida encontrada en un cuerpo de agua. Una cantidad de OD óptima favorece el crecimiento de multitud de organismos. Cuando el agua está contaminada o se vierten sobre ella desperdicios calientes productos de la industria, la cantidad de OD disminuye, reduciendo la cantidad de vida en los ríos, lagos y otros cuerpos de agua. Como en nuestro país la mayoría de ríos son utilizados como vertederos, existe poca cantidad de vida en ellos.

Materiales: (Actividad 2) • Varios objetos oxidados.

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Características generales Actividad 1 (Tiempo aproximado: 25 minutos) En la lección anterior estudiamos los gases como uno de los estados de la materia. Al estudiar el aire como un gas, se determinó que uno de los componentes esenciales del aire es el oxígeno. Escriba el título en la pizarra: El oxígeno. Comience explicándoles la importancia del oxígeno para nuestra vida y de todos los organismos en general. Pídales que respiren profundamente y explíqueles que necesitamos del oxígeno para nuestro proceso de respiración y que todos los animales respiran absorbiendo oxígeno del aire. Puede preguntarles si han observado respirar a un perro, a un gato u otro animal y solicíteles que imiten la manera en la que estos respiran. Pídales que escriban en su cuaderno: “El gas oxígeno es esencial para la vida” y con sus propias palabras expliquen por qué es importante. Pregúnteles: ¿Los peces, respiran? ¿Cómo respiran? ¿De dónde obtienen oxígeno si viven bajo el agua? Explíqueles sobre la solubilidad del oxígeno en el agua y que es necesario que haya oxígeno disuelto en el agua para que haya vida acuática. Para demostrar la presencia de oxígeno en el agua, dígales que observen en su casa, con mucho cuidado, cuando el agua hierve. Las burbujas que salen del agua es el aire disuelto escapándose a la atmósfera. Lleve dos botellas de agua potable, una con agua hervida recientemente. Pídales que prueben el agua de ambas botellas y que digan si son semejantes en “sabor”. Explíqueles que el “sabor” del agua potable se debe al aire disuelto en ella; es por esto que hay que “devolver” el aire al agua recién hervida, transfiriéndola de un recipiente a otro varias veces. 2. Oxidación

Figura 5. Varios objetos oxidados.

Actividad 2 (Tiempo aproximado: 20 minutos) En esta actividad relacionarán la oxidación de los metales con la presencia de oxígeno en el aire y la reacción de este con los metales. Previamente pídales que lleven metales “oxidados” al salón de clases. Pídales que describan las características (color y textura) de los óxidos (Fig. 5). Explíqueles que los óxidos se forman por la reacción de los metales con el oxígeno del aire, y que esta reacción puede ser muy lenta o muy rápida depen-

diendo del metal. Pregúnteles: ¿Adónde consiguieron esos metales oxidados? ¿Cómo era el metal antes de oxidarse? ¿Cuánto tiempo tarda un metal en oxidarse? ¿Es beneficioso o dañino el que un metal se oxide? ¿Cómo se puede evitar la oxidación? Explíqueles que muchas veces se pintan o barnizan los metales para evitar que entren en contacto con el oxígeno. Pídales que numeren casos donde no es conveniente la oxidación de los metales y que escriban en su cuaderno bajo el tema “El oxígeno”: “Los metales reaccionan con el oxígeno formando óxidos” y que dibujen un metal oxidándose junto a su reacción (Fig. 6).

Figura 6. Oxidación del hierro.

Materiales: • 1 cucharada de bicarbonato de sodio. • 1/2 taza de vinagre. • Vaso transparente. • Fósforo. • Vela pequeña.

En grados superiores estudiaremos que este es un cambio químico, producto de la transferencia de electrones del metal al oxígeno. La facilidad de transferir electrones depende de las propiedades químicas del elemento o compuesto.

3. Combustión Actividad 3 (Tiempo aproximado: 20 minutos) El oxígeno es parte fundamental para toda reacción de combustión. En esta actividad se comprobará que la presencia del oxígeno es importante para que se efectúe una combustión. Coloque en un vaso una cucharada de bicarbonato de sodio y luego con cuidado vierta media taza de vinagre. Espere unos segundos y encienda un fósforo o una vela pequeña y bájelo(a) lentamente dentro del vaso. El fósforo o la vela se apagará inmediatamente (Fig. 7). Pregunte a los estudiantes: ¿Por qué se apagó la vela (o el fósforo)? Posiblemente muchos recordarán de la lección anterior, que el oxígeno es básico para que ocurra una combustión. Explíqueles que en la reacción del bicarbonato de sodio con el vinagre se genera dióxido de carbono (CO2), el cual desplaza al oxígeno sobre el recipiente arriba de la reacción. Cuando el fósforo o la vela se aproximan a la reacción, se apagan porque ya no hay oxígeno presente. Explíqueles que este es el principio de los extintores, ya que el gas que sale del recipiente desplaza al oxígeno e impide que continúe la combustión.

Permita que sus estudiantes describan en su cuaderno el experimento y que lo expliquen con sus propias palabras bajo el título: “El oxígeno es importante para que ocurra la combustión”.

Figura 7. El oxígeno es indispensable para que ocurra una reacción de combustión.

4. Ciclo del Oxígeno Actividad 4 (Tiempo aproximado: 25 minutos) En esta actividad se estudiará el ciclo del oxígeno en la Tierra. Recuérdeles el ciclo del agua y su importancia para el mantenimiento de la vida en la Tierra. Pregúnteles ¿Qué son los ciclos? ¿Qué hace a un fenómeno un ciclo? ¿Pueden nombrar algún ciclo? Acepte todas las respuestas de sus estudiantes y explíqueles de nuevo cómo funciona un ciclo. Indíqueles las partes que componen el ciclo del oxígeno, recordándoles que todos los seres vivos somos parte de ese ciclo. Para recalcarles nuestro papel en el ciclo del oxígeno, pídales que respiren sobre un espejo. Explíqueles que el vapor que observan sobre el espejo es vapor de agua, que junto con el CO2 son los productos de la respiración. Luego, coménteles que ese dióxido de carbono expulsado será absorbido por las plantas en la fotosíntesis para formar azúcares y carbohidratos. Posteriormente, las plantas expulsarán oxígeno que será nuevamente respirado por nosotros. Pídales que trabajen en grupos de tres estudiantes y que elaboren el ciclo del oxígeno en cartulina, utilizando los materiales que deseen para darle vistosidad al trabajo. Indique a algunos grupos que no coloquen los árboles en el ciclo. Pregúnteles: ¿Cómo se afecta el ciclo si no hay árboles? ¿Hacia dónde se irá el CO2 producido por los animales? ¿Qué pasará con los seres vivos si no hay oxígeno? ¿Cuál es la importancia de mantener los bosques en nuestro país? ¿Qué hará para explicar a los adultos que no deben cortarse los árboles? ¿Qué sucede cuando utilizamos los árboles como leña? ¿Por qué no es correcto quemar los restos de las cosechas en la agricultura? ¿Por qué no se debe quemar la basura? Luego, indíqueles que coloquen sus nombres en cintas de tela e identifiquen un árbol en la escuela o en su hogar o comunidad y amarren la cinta al árbol. El árbol que sea escogido representa el árbol que absorbe el CO2 expulsado por el estudiante, y el que liberará el O2 para que respire. Cada estudiante deberá cuidar del árbol que le ha correspondido para mantener el ciclo del oxígeno.

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Medio ambiente La luz del Sol calienta la tierra, el agua y el aire. Durante la noche, el calor absorbido en el día es liberado hacia el espacio. Algunos gases de la atmósfera capturan alguna parte del calor y ayudan a prevenir que todo el calor escape hacia el espacio. Ese el proceso que ayuda a que durante las noches no nos congelemos. Entre estos gases tenemos al vapor de agua, el CO2, el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O). Actualmente, debido al uso excesivo de combustibles y a la deforestación, la cantidad de CO2 ha aumentado mucho en los últimos 50 años. Esto ha provocado que la temperatura del planeta haya aumentado debido a que el CO2 retiene el calor. Basta mirar a nuestro alrededor para darnos cuenta de que nuestro país es uno de los más deforestados del continente. El ciclo del oxígeno, el cual regula el aumento del CO2, se ha roto. Debido a esto, el número e intensidad de los fenómenos atmosféricos ha aumentado en todo el mundo y nuestro país no es la excepción. Para comprobar el efecto de invernadero provocado por algunos gases, usaremos dos botellas vacías de soda grandes. En una coloque cuatro cucharadas de agua y tápela. La otra déjela destapada. Mida la temperatura en cada botella y anótela. Coloque ambas botellas en el Sol durante 2 ó 3 horas. Con un termómetro mida la temperatura dentro de cada botella. Observará que la botella destapada no ha variado mucho su temperatura. La otra botella estará bien caliente por dentro. Explique a sus estudiantes que eso es lo que está ocurriendo en la Tierra actualmente. El vapor de agua, así como el CO2, retuvo el calor provocando el aumento de la temperatura dentro de la botella. Pregúnteles qué ideas tienen ellos para prevenir el calentamiento global. REFERENCIAS 1. Garrido, A. [1990] Fundamentos de Química Biológica. España: Interamericana McGraw-Hill. 2. Hein, M., Arena, S. [2001] Fundamentos de Química. España: Thompson-Paraninfo. 3. Steven Institute of Technology [s.f.] Oxígeno Disuelto. Center for Innovation in Engineering and Science Education (CIESE). Extraído en octubre de 2010 desde http://www.k12science.org/ curriculum/dipproj2/es/fieldbook/oxigeno.shtml 4. Profesor en línea [s.f.] Concepto de Oxidación. Extraído en octubre de 2010 desde http://www. profesorenlinea.cl/Quimica/Oxidacion.htm

¡Veamos qué hemos aprendido! El oxígeno disuelto en el agua debe estar presente para la sobrevivencia de los peces, las plantas acuáticas y otros organismos. Algunos organismos requieren niveles altos de oxígeno disuelto, pero otros sobreviven a niveles bajos. Los ríos con niveles altos de oxígeno son usualmente ecosistemas estables capaces de mantener distintos tipos de plantas y animales. El oxígeno disuelto proviene de: • La atmósfera: El oxígeno del aire se mezcla con el agua del río cuando esta se mueve o al caer en las cascadas. • Plantas: Las plantas a través de la fotosíntesis producen oxígeno en el proceso. Los procesos que disminuyen la cantidad de oxígeno disuelto incluyen: • La temperatura del agua: Los gases se disuelven mejor en agua fría. Entre más alta sea la temperatura del agua, menor cantidad de oxígeno contiene. • Flujo del agua: El poco flujo del agua disminuye la cantidad de oxígeno en el agua. • Desperdicios orgánicos: La basura, los desperdicios de granja e industrias, etc., que caen en un río incrementan la cantidad de bacterias, las cuales consumen el oxígeno del agua. Materiales: • Vasos transparentes • Levadura • Tubos de ensayo • Agitadores • Goteros

• Cinta adhesiva, marcadores • Leche • Agua (cantidad necesaria) • Azul de metileno • Reloj

Antes de iniciar, se deben contestar las siguientes interrogantes para comprender los conceptos básicos utilizados en este ejercicio. 1. ¿Qué son los microorganismos? Dé dos ejemplos.

2. ¿Qué son los desperdicios orgánicos biodegradables? Dé dos ejemplos.

3. Describa el proceso general de la respiración.

4. ¿Qué es el oxígeno disuelto (OD) en el agua?

Una vez que hayan contestado las preguntas, deberán formular una hipótesis entre la relación de la cantidad de materia orgánica, la cantidad de bacterias y la cantidad de oxígeno en una muestra de agua: Hipótesis:

Procedimiento: 1. Rotule tres tubos de ensayo del 1 al 3. 2. Use un gotero o una probeta para añadir las cantidades de materiales indicadas en la Tabla que se muestra a continuación (15 gotas hacen aproximadamente 1 mL). Tubo

Leche (mL)

Leche (gotas)

Agua (mL)

Agua (gotas)

1.0

0.2

1.8

Observe que todos los tubos tienen cada uno un total de 2 mL (ó 30 gotas) de líquido (combinándose la leche y el agua). 3. Prepare una solución de levadura añadiendo 2 mL (media cucharada) de levadura a 20 mL de agua tibia en un vaso. Mantenga en agitación la solución de levadura hasta su uso. 4. Añada tres gotas de azul de metileno a cada tubo de ensayo (éste es un indicador que es azul en presencia de oxígeno, e incoloro en su ausencia). 5. Mezcle cada tubo de ensayo agitándolo o invirtiéndolo cuatro veces (coloque el dedo pulgar sobre la boca del tubo e inviértalo). 6. Elabore una tabla como las siguiente, donde se anotará el tiempo que tardará cada tubo en cambiar de color.

Tubo

Tiempo al mezclar (A)

Tiempo cuando la mezcla cambia de color (B)

Tiempo total en minutos (B-A)

2 3

7. Añada 2.0 mL (30 gotas) de la solución de levadura al tubo 1. Mezcle invirtiéndolo cuatro veces. Anote el tiempo en el cual se añadió la levadura al tubo 1. 8. Repita el proceso con el tubo 2 y 3. 9. Espere hasta que el color cambie de azul a blanco y anote el tiempo que toma y anótelo en el cuadro anterior. Usualmente tarda 20 -35 minutos en cambiar. Conteste las siguientes preguntas: 1. ¿De dónde obtienen el oxígeno que necesitan para vivir los microorganismos que viven en el agua? 2. ¿De dónde obtienen las plantas el dióxido de carbono (CO2) que necesitan? 3. ¿Por qué desaparece el color azul en los tubos? ¿Quién lo consume? 4. ¿Cuáles son los microorganismos en el experimento? 5. ¿Qué parte del experimento representa los desperdicios? 6. ¿Qué tubo tiene la mayor cantidad de desperdicios? 7. ¿Cuál tubo contiene la mayor cantidad de oxígeno? ¿Cuál tiene menos? 8. ¿Por qué la superficie del líquido en los tubos de ensayo se mantiene azul? 9. Si grandes cantidades de desperdicios son vertidos a ríos y lagos, ¿cuál es el efecto en la cantidad de oxígeno en el agua?.

Lección 5. La

respiración en los animales

DESCRIPCIÓN En esta lección se estudiarán las distintas clases de respiración de los animales. De esta manera se continúa profundizando en el conocimiento del metabolismo de los seres vivos. Finalmente, reconocerá que el ser humano al igual que los mamíferos, respira de manera similar, como otro ser biológico en el planeta. OBJETIVO ESPECÍFICO Identificar los tipos de respiración en animales del entorno con el fin de descubrir que el ser humano respira pulmonarmente como otros mamíferos y otros vertebrados.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Observación y comunicación de animales del entorno. 2. Responde preguntas y recoge e interpreta información sobre los tipos de respiración en los animales. 3. Comprende un problema, tarea o situación desafiante. TEMAS Y SUBTEMAS 1. Tipos de respiración en los animales: Traqueal, cutánea, bronquial y pulmonar.

Figura 1. Sistema respiratorio del ser humano.

6 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Tiempo aproximado: 6 horas clase

CONCEPTOS CLAVES Metabolismo: Es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en los organismos. Respiración: Es una vía metabólica en la que los seres vivos degradan moléculas para obtener energía biológicamente utilizable. Respiración aeróbica: En esta clase de respiración los organismos necesitan del oxígeno ambiental (O2) para obtener la energía molecular, liberando como subproductos dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

¿Qué debería usted saber sobre el tema? De manera general, la respiración es un proceso de “intercambio gaseoso”, en el cual los seres vivos usan oxígeno (O2) para captar eficientemente la energía de moléculas orgánicas que utilizan como combustible y convertirla en ATP (Trifosfato de Adenosina). En este proceso se libera dióxido de carbono (CO2) más agua (H2O) y energía en forma de calor. Utilizando ecuaciones químicas, la respiración aeróbica se representa así: C6H12O6 + 6 O2 Glucosa + Oxígeno

> 6 CO2 + 6 H2O + Energía -ATP > Dióxido de Carbono + Agua + Energía

Ya que las reacciones producen energía (en forma de ATP y de calor), el proceso de respiración se denomina catabólico.

La respiración aeróbica es la forma cómo animales y plantas obtienen la energía necesaria para todas las funciones corporales. Respiración anaeróbica: Es aquella donde los organismos no utilizan oxígeno, sino otras moléculas inorgánicas que les permiten obtener la energía necesaria. Típicamente es realizada por bacterias, para los cuales el oxígeno es tóxico.

Figura 2. Representación de una molécula de ATP.

Intercambio gaseoso en animales En el Reino Animalia todos usan O2, pero tienen diferentes formas de obtenerlo. Así, los animales vertebrados e invertebrados tienen diferentes clases de respiración: la respiración pulmonar (Fig. 1), branquial, traqueal y cutánea. La respiración traqueal es propia de los insectos y arácnidos. Las tráqueas son pequeños tubos que se ramifican por todo el cuerpo del animal. Allí el aire entra por unos finos agujeros llamados espiráculos. Así llega el oxígeno a la sangre del insecto. Los anfibios tienen dos tipos de respiración, una pulmonar y otra cutánea (Fig. 3). Cuando los sapos, ranas y salamandras están en lo seco, respiran por pulmones. Cuando están en la humedad

respiran por la piel. En su piel poseen muchas glándulas que mantienen húmedo todo el cuerpo.

Figura 3. A. Los insectos respiran por tráqueas. B. La respiración cutánea es propia de las ranas y sapos. C. Los peces como el tiburón peregrino respiran e incluso se alimentan a través de las branquias.

Los peces tienen unos órganos a los lados de la cabeza, llamados branquias, que les sirven como filtros por donde captan el oxígeno del agua que penetra. Este tipo de respiración branquial (Fig. 3) también es propia de los crustáceos (camarones, cangrejos, etc.). Los mamíferos, las aves, los reptiles y los anfibios tienen respiración pulmonar (Fig. 4) porque usan los pulmones para hacer el intercambio gaseoso. En el caso del ser humano, la inhalación es el momento en que se inhala aire por la nariz y exhalación cuando se saca el aire por la nariz. Las vías respiratorias superiores incluyen las fosas nasales y la faringe, mientras que las vías respiratorias inferiores involucran a la laringe, tráquea, bronquios y pulmones.

Figura 4. Aparato respiratorio humano.

Fosas nasales: Se ubican en la nariz, en ellas todo el aire inhalado es filtrado de partículas como el polvo o gérmenes, antes de llegar a los pulmones. Faringe: Es parte de las vías respiratorios y del tubo digestivo. Se extiende desde la base del cráneo hasta la sexta o séptima vértebra cervical. Laringe: Está ubicada detrás de la faringe con la que se comunica por medio de la glotis u orificio de la faringe. Epiglotis: Es el cartílago que encierra a la glotis y evita el paso de líquidos y alimentos al aparato respiratorio.

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Introducción del tema (Tiempo aproximado: 15 minutos) Escribir el tema y el objetivo de la lección en la pizarra, asegurándose de que lo hayan escrito en sus cuadernos. 2. Lo que sabemos sobre cómo respiran los animales (Tiempo aproximado: 30 minutos) Organice a los estudiantes en equipos de cuatro miembros. Indíqueles que escriban en sus cuadernos un listado de cinco animales que cada uno conozca; que conversen y contesten lo siguiente: 1. ¿Cuáles de ellos son mamíferos, aves, reptiles, anfibios, peces? ¿En qué medio habitan? 2. ¿Cómo respiran cada uno de los animales? 3. Cuando se respira, ¿qué se obtiene del aire? Promueva una plenaria para contestar las preguntas. Se espera que los estudiantes expresen que del aire se obtiene el oxígeno para respirar. 3. Oxígeno y dióxido de carbono (Tiempo aproximado: 20 minutos) En una lluvia de ideas pregunte a los estudiantes ¿qué gases utilizamos al respirar? Pídales inhalar aire y expulsarlo sobre un espejo o un trozo de plástico transparente. Pregúnteles: ¿Qué observan? ¿Producto de qué es? Explíqueles que inhalamos oxígeno del aire y expulsamos otro gas llamado dióxido de carbono y agua. A este intercambio de gases se le llama respiración. 4. Ejercitemos la respiración (Tiempo aproximado: 20 minutos) Pida a los estudiantes sentarse cómodamente en el pupitre colocando las manos relajadamente sobre las piernas. Que inhalen aire por la nariz y lo retengan en el pecho y lo expulsen poco a poco. Recuérdeles lo importante que es respirar después de hacer ejercicio o hacer un deporte. Incluso al sentirse ansioso o precupado, es recomendable hacer ejercicios de respiración, inhalando aire, acumulándolo en los pulmones y expulsarlo poco a poco.

Historia de la Ciencia y de la Tecnología

Estos ejercicios de respiración son recomendados por médicos terapeutas de la respiración, psicólogos y enfermeras para bajar el estrés, pues ayudan a reforzar los músculos de los pulmones La comprensión de la respira- que se inflan y desinflan para igualar la presión atmosférica disción aeróbica en los seres vi- tensionando el diafragma y la caja torácica. vos eucarióticos (células con núcleos) se debe al bioquími- 5. Animales alrededor de la escuela (Tiempo aproximado: 45 co británico de origen alemán minutos) sir Hans Adolf Krebs (Fig. 5) Coloque en la pizarra dibujos de una vaca, una mariposa, un quien en 1953 recibió el pre- sapo, un tigre, una abeja, un pez. Puede dividir la pizarra en seis mio Nobel por su trabajo del partes y pedir que seis estudiantes dibujen estos animales. ciclo del ácido tricarboxílico, 1. ¿Por dónde respiran estos animales? conocido también como ciclo 2. ¿Qué tipo de respiración tienen la vaca, el tigre, el sapo? ¿Las de Krebs o ciclo de la urea. personas respiramos igual que estos animales? ¿Por qué? En éste se rompen moléculas de azúcar, grasas y proteínas oxidándose, siendo el oxígeno el aceptor de electrones. Al final del proceso se expulsa agua y dióxido de carbono y compuestos energéticos.

La mayoría de estudiantes expresan que todos estos animales respiran por la nariz. Explíqueles en qué consiste la respiración pulmonar, traqueal, branquial y cutánea. A partir de la información que proporcionen los estudiantes, escríbala en la pizarra debajo de cada dibujo. Pregúnteles: si todos respiramos el mismo aire que la vaca, el caballo y las plantas, ¿por qué debemos cuidar que el aire no se contamine? 6. Todos los animales respiramos (Tiempo aproximado: 30 minutos) Hacer un recorrido en la escuela o alrededor y pedir a los estudiantes colectar y obser var distintos animales de su entorno, dibujarlos en sus cuadernos y explicar el tipo de respiración que tienen.

Figura 5. Krebs en su laboratorio.

Llevar algunos animales al salón de clase y permitir a cada estudiante observar un animal y explicar su tipo de respiración. Pregúnteles: ¿Cómo respiran los insectos? ¿Cómo respiran los mamíferos? ¿Cómo respiran las aves? ¿Cómo respiran los anfibios? Oriente a los estudiantes a no tocar animales que desconozcan para evitar accidentes.

Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente Cuando las personas se congestionan de las fosas nasales, los médicos han creado sustancias descongestionantes. El ejemplo más conocido es la solución salina. Esta idea también es muy utilizada en la medicina popular. Por ejemplo, para descongestionarse se sugiere tomar un poco sal en una cucharada, diluirla con agua y luego absorberla por las fosas nasales. Ahora bien, cuando la congestión es muy fuerte, se usa una jeringa que al adaptarle una bolita de silicón con orificio la solución salina entra por una fosa y sale por la otra. El abuso de descongesionantes provoca rinitis.

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con... Medio ambiente y Salud Pida a los estudiantes traer un pez pequeño a la clase y pregúnteles: ¿Cómo sabemos que un pez respira? Que contesten que es por medio de las branquias. Rételos a contestar: ¿Cuántas veces respira un pez por minuto? Oriéntelos a colocar al pez en un vaso de vidrio (Fig. 6) y hacer observaciones. Una vez más pídales que piensen qué sucedería si aumentamos la temperatura del agua: ¿Aumenta o disminuye la respiración del pez? ¿Qué deberíamos hacer para mantener siempre fresca el agua de los ríos?

Figura 6. Pez respirando en un vaso con agua.

ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN Que dibujen en el cuaderno tres animales (Fig. 7) de su entorno con distintos tipos de respiración.

Figura 7. Trazos para realizar un dibujo

Respuestas esperadas son las siguientes: Los anfibios respiran por pulmones y por la piel, los insectos respiran por tráqueas, las aves y los mamíferos respiran por pulmones.

ACTIVIDAD DE REFUERZO Mostrar los siguientes dibujos (Fig. 8) y preguntar ¿Qué tipo de respiración tienen?

Figura 8. Clases de animales.

REFERENCIAS 1. Canizalez, A. [2010] El aprendizaje como investigación. En Prensa para editar. El Salvador: Editorial Molinos de Viento. 2. Dale, W. [s.f.] Anatomía y Fisiología Insectos. Versión 01.I13. Presentación powerpoint. 3. Los historiadores [2002] Juan Gregorio Mendel. Escuela Primaria Hermanos Aldana. Extraído en febrero de 2011 desde http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/publicaciones/publi_quepaso/gregorio_mendel.htm

¡Veamos qué hemos aprendido! Tarea: 1. Señala en el dibujo: fosas nasales, pulmones, faringe, tráquea y diafragma.

2. En los siguientes dibujos de estos animales escribir: ¿Qué tipo de respiración tienen?

Lección 6

4 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Cambios físicos

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Comprender que un cambio físico no involucra cambios en la composición de la materia. 2. Reconocer la reversibilidad de los cambios físicos. 3. Aplicar el concepto de cambio físico a fenómenos de la vida real.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Reconoce que los estados de agregación de la materia pueden cambiarse de uno a otro sin alterar su naturaleza. 2. Examina la evidencia que indica que un cambio físico ha ocurrido. 3. Curioso por identificar e interpretar cambios físicos en su entorno.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Cambios físicos de la materia 2. Reversibilidad de los cambios físicos

DESCRIPCIÓN Todo lo que nos rodea se halla en un cambio continuo. En un momento el Sol brilla, en el próximo minuto se oscurece porque una nube bloquea sus rayos. Debido a que el mundo a nuestro alrededor está hecho de materia, se encuentra continuamente en cambio. Algunas veces este cambio concierne a su apariencia, otras es la composición de la materia la que cambia y no podemos observar este cambio a simple vista. Cuando la materia experimenta cambios concernientes a sus propiedades físicas, es decir, a su apariencia, decimos que sufre un cambio físico. Por ejemplo, si rompemos un papel (un cambio físico) continúa siendo papel. En esta lección estudiaremos los cambios físicos de la materia y aprenderemos a reconocerlos en fenómenos de nuestra vida diaria. Figura 1. Un cambio físico es el paso del estado sólido al estado líquido.

CONCEPTOS CLAVES Cambio físico: Es el cambio del tamaño, forma o estado de la materia de una sustancia. Además, está caracterizado porque su composición no cambia (Fig. 3).

Figura 3. El vidrio aunque se quiebre no deja de ser vidrio.

Reversibilidad: Es la capacidad de un sistema de experimentar cambios de estado físico, siendo posible regresar al estado inicial, modificando o cambiando las condiciones que generaron dichos cabios (Fig. 4).

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Cambios físicos La ley de la conservación de la materia se atribuye comúnmente a Antoine Laurent Lavoisier (1743 -1794), químico francés que propuso esta ley en 1789. Fue uno de los pocos químicos de su tiempo que valoró plenamente la importancia de la masa de los compuestos en una reacción química, igual al inicio y al final del proceso. El enunciado dice: “en cualquier cambio de estado, la masa total se conserva” o “la materia ni se crea ni se destruye, siempre se conserva”. Según el enunciado anterior podríamos preguntarnos: ¿Nada en la Tierra desaparece? Sabemos que la nieve desaparece cuando le da el Sol y que el fuego hace desaparecer la madera, pero eso no es lo que ocurre realmente. La nieve se derrite debido al cambio en temperatura (energía proporcionada por la luz solar), se vuelve agua y si la temperatura sigue aumentando, se convierte en gas que se eleva en la atmósfera. La madera se convierte en ceniza y en humo: la materia nunca se crea ni se destruye, únicamente cambia de forma (estado). Sabemos que toda la materia está compuesta de partículas (átomos y moléculas) y cuando estas se mueven o cambian, la materia cambia de forma. La materia puede modificarse mediante un cambio físico. A través de éste, la materia puede cambiar de forma o estado; por ejemplo, cuando se aplasta una caja o una lata vacía de aluminio cambia su forma, es una caja o una lata aun si están deformes. Este es un cambio físico. Otro ejemplo de un cambio físico es cuando el hielo se derrite, únicamente hay un cambio de estado, de sólido a líquido. Su composición sigue siendo la misma (Fig. 2).

Figura 4. La margarina se derrite a alta temperatura y puede volver a solidificarse a baja temperatura.

Figura 2. Ejemplos de cambios físicos: A. al derretirse el hielo y B. cortar papel.

Los cambios físicos son causados usualmente por una forma de

movimiento o presión, o por un cambio de temperatura. Cuando el agua hierve y se convierte en vapor, experimenta un cambio físico causado por un cambio en la temperatura. Cuando rompemos un pedazo de tela, el cambio físico es causado por el movimiento. Una lámina de metal es el resultado de someter un pedazo de metal a una máquina poderosa que ejerce una enorme presión sobre el metal hasta transformarlo en una lámina delgada. Se modifica su forma, su apariencia, pero no su naturaleza, continua siendo el mismo metal. Reversibilidad de los cambios físicos Cuando se trata de determinar si un cambio es físico se debe hacer la pregunta: ¿Es este cambio reversible? Es decir, ¿se puede regresar la materia a su estado original antes del cambio? Para la mayoría de cambios físicos la respuesta es “sí”. La caja aplastada del ejemplo anterior puede ser estirada y volver a su forma de caja, el agua puede ser congelada y vuelta hielo otra vez, el vapor de agua puede condensarse y regresar al estado líquido. Sin embargo, no todos los cambios físicos son reversibles. La Figura 5 presenta un esquema sobre la reversibilidad entre los estados de la materia. Se debe tener en cuenta que en cada cambio de estado hay energía involucrada, ya sea perdida o ganada.

Figura 5. Cambios de estado de la materia.

• Cuando un sólido se convierte en líquido se conoce como fusión o derretimiento. • Cuando un líquido pasa a gas se conoce como evaporación. • Cuando un gas pasa a líquido se llama condensación. • Cuando un líquido pasa a sólido se conoce como solidificación o congelación. • Cuando un sólido pasa a gas se conoce como sublimación. Debemos de recordar que para que un cambio se clasifique como físico se deben cumplir uno de dos requisitos: 1. Sólo debe haber ocurrido un cambio de forma, tamaño o estado. La composición del material debe ser la misma. 2. El cambio debe de ser reversible, es decir, el material puede volver a su estado original una vez haya cesado la causa del cambio. A continuación se presentan algunos ejemplos de cambios físicos: • Una fruta molida (cambia su forma). • Inflar un balón (cambia su forma y su tamaño). • El agua líquida pasa a hielo (cambio de estado). • Mezclar arena y azúcar (cambia la apariencia pero las sustancias no cambian, se pueden se69

parar). • Mezclar sal y agua (cambia la apariencia, pero se pueden separar, las sustancias no cambian). Materiales: • Papel • Fósforos • Globo • Galletas

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Cambios físicos Actividad 1 (Tiempo aproximado: 20 minutos) En esta actividad es una introducción sobre qué es un cambio físico. Luego de escribir el título en la pizarra, explíqueles el concepto de cambio físico. En esta parte se experimentará con el cambio de forma y tamaño. Muestre a los estudiantes una hoja de papel y pregúnteles las características observables del papel: color, estado de la materia, forma, tamaño. Rompa el papel a la mitad y pregunte: ¿Qué cambios ha experimentado el papel? Escuche las respuestas de sus estudiantes y luego explíqueles que únicamente ha cambiado el tamaño y la forma del papel, ya que su composición no ha cambiado. El rompimiento del papel fue un cambio físico, ya que no se alteró su naturaleza. Solicíteles que escriban en su cuaderno la definición de cambio físico (Fig. 6).

Con un fósforo queme un pedazo de papel (o describa el evento). Pídales a sus estudiantes que describan el resultado: ¿Qué sucedió? ¿Qué cambios ha sufrido el papel? ¿Continúa siendo papel? Si ya no es papel: ¿Experimentó algún cambio físico? La Figura 6. Al romper papel no cambia respuesta es “no”. La composición del papel cambió, por lo que su naturaleza (es un cambio físico). no puede ser clasificado como cambio físico. En años superiores estudiaremos este tipo de cambio, llamado cambio químico. Infle un globo y pregúnteles: ¿Qué cambios han ocurrido? ¿Continúa siendo un globo? Permita que sus estudiantes respondan y concluyan que únicamente ha cambiado la forma y el tamaño del globo, que su composición no ha variado (Fig. 7). Deberán escibir en su cuaderno: “Características del cambio físico”, cambio en el tamaño y la forma, no en su composición.

Figura 7. Un globo experimenta un cambio físico al ser inflado.

Actividad 2 (Tiempo aproximado: 25 minutos) Organice a sus estudiantes en grupos de tres. A cada grupo entréguele un pedazo de galleta o un dulce. Deberán anotar en su cuaderno “Cambios físicos en un material sólido”. Solicíteles que busquen dos maneras de hacer un cambio físico en la galleta. Se espera que cambien su tamaño y forma, partiéndola y

luego, desmenuzándola. Cuando la partan habrán cambiado su tamaño, pero continuará siendo galleta. Cuando la desmenucen cambiarán tanto el tamaño como la forma (Fig. 8). Solicíteles que dibujen en su cuaderno el proceso de los cambios sucedidos en la galleta y que comparen la galleta molida con una completa. Deberán escribir en sus propias palabras por qué se considera el proceso como un cambio físico. Supervise para que trabajen con limpieza y orden. 2. Cambios de estado

Figura 8. Los cambios físicos involucran cambios de forma.

Ejemplos de algunos cambios físicos: • Doblar ropa • Cortar papel • Romper un vidrio • Hervir agua • Hacer hielo

Actividad 3 (Tiempo aproximado: 25 minutos) Pida a los estudiantes que escriban en su cuaderno el título: “Cambios de estado de la materia”. Elabore un esquema en la pizarra sobre los cambios de estado de la materia y los conceptos de cada cambio (evaporación, condensación, etc.). Explíqueles que estos cambios de estado se consideran cambios físicos, ya que la composición de la materia no cambia. Recuérdeles el ciclo del agua y pregúnteles: ¿Cómo se llama el cambio del agua líquida de los lagos a vapor para la formación de las nubes? Evaporación. ¿Cómo se conoce el paso del vapor de agua en las nubes a lluvia? Condensación. Estas respuestas se las proporcionarán a medida que se vaya estudiando los conceptos de cambios de estado. Sus estudiantes podrán copiar el esquema en sus cuadernos e identificar los cambios de estado.

Cuando se cambia un líquido de un recipiente a otro cambia su forma, por lo tanto, ¿es un cambio físico? No, ya que los líquidos no poseen forma propia, adoptan la del recipiente que los contiene, por lo tanto no hay cambio de forma ya que no la poseen. Materiales (Actividad 4): • Globo • Vainilla líquida • Gotero

Figura 9. Cambios de estado en el ciclo del agua de líquida a vapor (nubes).

Solicíteles que en su cuaderno escriban otros ejemplos de cambios de estado (cambios físicos).

Actividad 4 (Tiempo aproximado: 20 minutos) Con esta actividad se comprenderá que los cambios de estado de la materia son cambios físicos, ya que la composición de la materia no cambia. Muéstrele a sus estudiantes un frasco con vainilla y que describan sus características: estado, color, aroma. Enfatice que la vainilla está en estado líquido. Coloque unas gotas de vainilla con un gotero dentro de un globo, ínflelo y ciérrelo. Pase el globo inflado a sus estudiantes y pídales que sientan el aroma de la vainilla aun dentro del globo. Permita que ellos formulen hipótesis sobre: ¿Por qué el aroma se percibe aún cuando la vainilla está adentro del globo? Dígales que para explicar este fenómeno tienen que recordar todo lo estudiado en la lección de gases y sus propiedades. Luego de que hayan formulado varias hipótesis explíqueles la razón de este fenómeno: ha habido un cambio de estado de la vainilla de líquido a gas a través del fenómeno de la evaporación. Las moléculas de vainilla son volátiles y pasan del estado líquido al gaseoso a temperatura ambiente. Dentro del globo, las partículas gaseosas de la vainilla salieron por los agujeros microscópicos del balón por medio del proceso de efusión estudiado en la Lección 3, sobre el estado gaseoso. Como la composición de la vainilla no ha cambiado, continúa siendo vainilla exhibiendo su olor característico. Pídales que dibujen en su cuaderno el proceso bajo el título “Cambios de estado” y que describan el por qué los cambios de estado se consideran cambios físicos. 3. Reversibilidad de los cambios físicos Actividad 5 (Tiempo aproximado: 45 minutos) En esta actividad los estudiantes aprenderán a diferenciar un cambio físico. Introdúzcales el término reversible. Explíqueles que los cambios físicos involucran un cambio de estado y pueden ser reversibles, es decir, la materia puede volver a su estado original. Para esta actividad necesitará un pedazo de hielo. Colóquelo en un recipiente transparente y déjelo a temperatura ambiente por 15 minutos. Pregunte a sus estudiantes: ¿Qué sucedió? ¿Sucedió un cambio físico? Para determinar si es un cambio físico deberán de contestar las siguientes preguntas: 1. ¿El cambio sucedió solamente en apariencia? 2. ¿Es el cambio reversible? 3. ¿Observa alguna propiedad nueva? En este caso las respuestas son: 1. Sí, sólo cambio de sólido a líquido. Ambos son transparentes, no hay cambio de color; 2. Sí, al regresar el agua a la nevera, vuelve a solidificarse; 3. No, no se observan nuevas propiedades. Al contestar las preguntas se deduce que ha ocurrido un cambio físico. Pídales que anoten sus observaciones en el cuaderno y que escriban las preguntas anteriores con su respuesta. Posteriormente, disuelva una cucharada de azúcar en una taza de agua y pregúnteles: ¿Qué ha ocurrido? ¿Ha sucedido un cambio físico? Las respuestas a las preguntas anteriores son: a.

El azúcar disuelto en el agua produjo una solución transparente, el azúcar cambió de forma y de apariencia; b. Es un cambio reversible ya que si se evapora el agua, el azúcar recupera su estado, forma y apariencia original; no se observaron nuevas propiedades, ya que la mezcla resultante es dulce como el azúcar. En conclusión, ocurrió un cambio físico (Fig. 10C). Encienda una vela y pídales que observen cómo la cera se derrite. Vierta un poco de cera derretida sobre una superficie y deberán observar cómo vuelve a solidificarse. Pregúnteles: ¿Qué ocurrió ?¿Es un cambio físico? Las respuestas a las preguntas son: a. Hay un cambio de apariencia, la cera se vuelve transparente al pasar a estado líquido; b. El cambio es reversible, porque la cera vuelve al estado sólido al disminuir la temperatura y no se observaron nuevas propiedades. En conclusión, cuando la cera se derrite es un cambio físico (Fig. 10B). Solicíteles que dibujen en el cuaderno todos los procesos, el concepto de reversibilidad, que contesten las preguntas y que escriban sus conclusiones. Explíqueles el papel de la temperatura en estos procesos. El hielo se derrite cuando la temperatura se eleva. Las moléculas de agua adquieren energía para moverse más libremente y comportarse como un líquido. Recordemos que en el estado sólido las moléculas están ordenadas y unidas. Cuando las moléculas del líquido pierden energía en forma de calor, es decir, cuando se enfrían, vuelven a ordenarse y regresan al estado sólido. El paso de un estado a otro depende del calor transferido, ya sea ganado o perdido (Fig. 2A y 10A).

Figura 10. Cambios físicos: A. hielo derritiéndose, B. al derretirse una vela y C. disolución de azúcar en agua.

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Medio Ambiente Con el conocimiento de los cambios físicos, haremos algunos objetos de materiales reciclados. Algunos materiales como el papel, el plástico y el metal son reciclables, ya que pueden cambiar de forma y tamaño sin alterar sus propiedades. Estos experimentan cambios físicos al modificar su forma para ser utilizados de otra manera distinta a la que fueron creados. Explique a sus estudiantes la importancia de reciclar algunos materiales aprovechando los cambios físicos. En esta ocasión haremos unos juguetes giratorios utilizando discos compactos usados, una canica y un tapón plástico de botella. Inserte la canica por el agujero del disco compacto; puede fijarlo con pegamento. En la parte su73

perior pegue el tapón plástico y decore el disco a su gusto. Haga girar el juguete por medio del tapón plástico. Mediante esta experiencia se afianza el concepto de cambio físico y se concientiza al estudiante para practicar el reciclaje de materiales (Fig. 11). Figura 11. Juguete fabricado con materiales reciclados.

REFERENCIAS 1. Brady, J. y Holum, J. [1992] Química: el estudio de la materia y sus cambios. Mc-Graw-Hill. 2. Brown, T. [2004] Química, la ciencia central. 9ª Edición. México: Pearson. 3. Díaz, F. y Hernández, G. [1998] Estrategias docentes para un aprendizaje significativo. México: McGraw-Hill. 4. Video [s.f.] Cambios físicos y químicos. Extraído en octubre de 2010 desde http://www.youtube.com/watch?v=d_-iWZokeYw& 5. Video [s.f.] Cambios físicos y químicos. Extraído en octubre de 2010 desde http://www.youtube.com/watch?v=MxY4kx3B6hQ 6. Video [s.f.] Cambios de fase. Extraído en septiembre de 2010 desde http://www.youtube.com/ watch?v=-W8cvKF-cQo&

¡Veamos qué hemos aprendido! 1. De las siguientes ilustraciones, señala con una “x” las que representan un cambio físico:

Encender un fósforo.

Romper papel.

Desinflar un globo.

Derretir hielo.

2. Coloca la letra “C” al lado de los procesos que son cambios físicos: Mezclar cereal con leche Aplastar una lata de aluminio Reventar pólvora Cocinar un huevo Hervir agua

3. Señala si las siguientes frases son ciertas (C) o inciertas (I): Un cambio físico ocurre si cambia la composición de la materia. Los cambios físicos pueden ser causados por cambios de temperatura. Los cambios físicos algunas veces son reversibles. El paso de líquido a gas se denomina condensación. El paso de sólido a líquido se llama fusión.

4. Lea el siguiente cuento: El asno y el hielo Era invierno, hacía mucho frío y todos los caminos se encontraban helados. El asno, que estaba cansado, no se encontraba con ánimos para caminar hasta el establo.

- ¡Ea, aquí me quedo! -Se dijo, dejándose caer al suelo. Un aterido y hambriento gorrioncillo fue a posarse cerca de su oreja y le dijo: - Asno, buen amigo, ten cuidado; no estás en el camino, sino en un lago helado. - ¡Déjame, tengo sueño! Y, con un largo bostezo, se quedó dormido. Poco a poco, el calor de su cuerpo comenzó a fundir el hielo hasta que, de pronto, se rompió con un gran chasquido. El asno despertó al caer al agua y empezó a pedir socorro, pero nadie pudo ayudarle, aunque el gorrión bien lo hubiera querido. La historia del asno debería hacer reflexionar a muchos holgazanes: la pereza suele traer funestas consecuencias. 1. Explica los cambios físicos descritos en el cuento:

2. ¿Por qué el agua del lago estaba congelada?

3. ¿Cuál fue la causa de que el hielo se fundiera?

4. El paso de sólido a líquido se denomina:

Lección 7

Carga eléctrica y Campo eléctrico

6 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Describir los mecanismos de transferencia de carga. 2. Identificar la interacción entre cargas. 3. Diferenciar entre materiales conductores y aislantes de la carga eléctrica. HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Relaciona los conceptos de carga y fuerza eléctrica. 2. Observa y analiza procesos de interacción entre cargas. TEMAS Y SUBTEMAS 1. Carga eléctrica 2. Mecanismos de transferencia de carga 3. Fuerza eléctrica 4. Campo eléctrico

Figura 1. Los rayos eléctricos en las tormentas son consecuencia de las interacciones electrostáticas entre las nubes ionizadas y la superficie terrestre; el promedio es de 100 rayos nube-Tierra en un segundo. Cada rayo libera millones de voltios de energía eléctrica que se transmite alterando las moléculas del aire y generando el sonido: los truenos.

DESCRIPCIÓN Cuando caminamos sobre una alfombra y luego tocamos la perilla al abrir una puerta, se observa algunas veces la generación de una chispa. Hemos reflexionado también por el hecho de que al introducir un objeto plástico en un toma corriente no ocurre nada. Estos fenómenos pueden ser descritos a través del estudio de la electrostática, es decir, por la interacción existente entre las cargas eléctricas en reposo. La lección está enfocada en comprender la naturaleza de la carga, algunos mecanismos de cómo se transfiere la carga de un material a otro, la relación de interacción entre estas (fuerza eléctrica) y el campo eléctrico generado en una región en el espacio.

CONCEPTOS CLAVES Electrón: Es una partícula subatómica con carga negativa y cuyo valor es de: e =-1.602x10-19 C.

Figura 3. Al acercar un campo mag-

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Carga eléctrica La materia en general está conformada por átomos y moléculas. Los átomos están constituidos por partículas subatómicas: neutrones, protones y electrones. Estas dos últimas partículas son portadores de carga; los protones poseen carga positiva y los electrones, carga negativa. Los átomos que constituyen los cuerpos son en principio neutros debido a que un átomo contiene la misma cantidad de cargas positivas (protones) y de cargas negativas (electrones). En la estructura de algunos átomos (por ejemplo los metales) las cargas negativas que se encuentran más externas al núcleo tienen la posibilidad de moverse y dejar la estructura del átomo; es decir, algunos electrones pueden moverse de un átomo a otro quedando el átomo original con un exceso de carga positiva (Fig. 2) debido a que el número de protones es mayor que el número de los electrones.

nético a un haz de electrones, este se desvía repeliendo el polo negativo, comprobando el signo de su carga eléctrica (negativo).

Electrones de valencia: Son los electrones que se ubican en el nivel de energía externo de un elemento.

Figura 2. Los metales forman estructuras en las cuales los electrones de las capas externas se mueven libremente por toda la estructura (deslocalización),

Protón: Es una partícula subatómica con carga positiva de un valor de: p =1.602x10-19 C.

dejando a los átomos con exceso de carga positiva. Como existe el mismo número de electrones y protones, en general, la estructura es neutra.

La suma de este fenómeno en millones de átomos en un material explica el efecto a nivel macroscópico de como un cuerpo puede cargarse positiva o negativamente. En general los materiales a pesar de la deslocalización de los electrones y la generación de iones positivos, son neutros, ya que la suma de protones y electrones no varía. Es decir, que los electrones nunca se crean ni se destruyen, solamente se transportan de un lugar a otro. Las cargas eléctricas tienen la propiedad de atracción y de repulsión: las cargas iguales se repelan y las cargas opuestas se atraen (Fig. 4).

Fuerza eléctrica: Es la fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados y está relacionada por la ley de Coulomb. Si se tienen dos cuerpos cargados y la distancia entre ellos es mayor que su tamaño: la fuerza entre los cuerpos es directamente proporcional al producto de sus cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (Fig. 5).

Por ejemplo, al usar un gorro de lana o al frotar una bufanda de lana con el cabello, la lana interactúa con éste arrancándole los electrones libres y dejándolo con un exceso de cargas positivas lo que hace que se establezca una repulsión entre las hebras del cabello, teniendo como resultado el cabello erizado. El concepto de carga permite comprender el chispazo que se genera cuando caminamos sobre una alfombra (transferencia de electrones libres de la alfombra hacia nuestro cuerpo) y luego tocamos la perilla de una puerta. La chispa se genera (si la perilla es metálica o conductora) por la reacción del exceso de carga negativa en nuestro cuerpo con los electrones libres de la perilla (Fig. 8). Estos fenómenos son observables en clima seco debido a que en los climas húmedos hay muchas moléculas de agua en el medio que permiten conducir y descargar los electrones libres. La carga eléctrica tiene unidades en Coulomb (C).

Figura 5. Un esquema representativo de las fuerzas electrostáticas. En el caso (a) son dos cargas de distinto signo que están siendo atraídas.

Figura 4. Las cargas de signos diferentes se atraen (1) y las de signos iguales

En el caso (b) las cargas del mismo

se repelen (2, 3).

signo están repeliéndose una a otra.

Campo eléctrico: Es una región en el espacio donde se mide la magnitud física de la fuerza eléctrica.

Los cuerpos neutros también son afectados por los cuerpos cargados positiva o negativamente (Fig. 11). Cuando los electrones dentro de un material se pueden mover libremente se dice que es conductor eléctrico. Dentro de estos materiales están los metales y las aleaciones. Cuando los electrones no están libres para desplazarse dentro del material se dice que es un aislante eléctrico. El caucho y el vidrio son buenos ejemplos de aislantes eléctricos. Los circuitos integrados y las conexiones eléctricas comúnmente están elaboradas de metales conductores como el cobre y están cubiertas con plástico para garantizar una mayor seguridad en la manipulación de las conexiones.

Neutrón: Es una partícula que no tiene carga eléctrica y junto con los protones conforman el núcleo del átomo.

Mecanismos de transferencia de carga A pesar de que existen materiales conductores y aislantes, existen mecanismos para cargar ciertos elementos aislantes, como por ejemplo el vidrio. Los mecanismos de transferencia de carga pueden ser por contacto, por fricción (estos dos son también denominados como triboeléctricos), por inducción y por la capacitancia. Estos conceptos se describen a continuación:

Conductor eléctrico Es el material en el que los electrones de valencia (más • Carga por contacto: Los electrones pasan de un material a otro externos en un átomo) se mediante un simple toque. Si ponemos en contacto un material mueven libremente (Fig. 6). cargado negativamente con un material neutro, varios de los electrones son transferidos al material neutro.También si un material está cargado positivamente al ponerse en contacto con un material neutro, los electrones del material neutro pueden ser transferidos hacia el material con carga positiva, ya que este último tiene ausencia de electrones. Este mecanismo se conoce como transferencia por contacto (Fig. 8). Figura 6. El cobre es un metal conductor de electricidad, usado en los alambres de instalaciones eléctricas caseras o en dispositivos tecnológicos.

Aislante eléctrico: Es un material en el que los electrones de valencia no se mueven libremente (Fig. 7). Figura 8. Transferencia de carga por contacto.

Si el material es buen conductor, los electrones se distribuirán en todas las partes de la superficie. Si es un aislante tendría que tocar diferentes partes del material para poder lograr una distribución de carga uniforme aproximadamente. Figura 7. La cinta aislante aísla la electricidad porque está constituida de un material llamado PVC (Cloruro de Polivinilo).

• Carga por fricción: Cuando un material es frotado con otro, éste es cargado desprendiendo electrones por el rozamiento; se dice entonces que se transfiere carga. Esto es conocido como el mecanismo de transferencia de carga por fricción (Fig. 9).

Un ejemplo es cuando frotamos un peine sobre nuestro cabello varias veces y después lo acercamos a un puñado de papeles pequeños. Estos se adhieren al peine debido a la carga generada por la fricción entre el pelo y el peine (Fig. 10). Los materiales al cargarlos por fricción y contacto se denominan materiales triboeléctricos. La medición de la capacidad de los materiales para contener o liberar un electrón se ordenan en una lista comparativa en donde en condiciones ideales, los superiores ceden electrones más fácilmente que los materiales inferiores, quedando con un exceso de carga positiva (Fig. 11). El algodón se encuentra en la mitad de la tabla, considerándose un material neutro debido a su capacidad higroscópica (capacidad de absorber la humedad del medio). • Carga por inducción: A veces no necesitamos frotar o tener contacto para cargar un cuerpo. Por ejemplo, al tener una barra cargada positivamente y dos esferas conductoras en contacto y la barra (al estar cargada positivamente tiene un déficit de electrones) es acercada a las esferas, se puede observar como las cargas negativas son atraídas y las positivas se alejan (Fig. 12B).

Figura 9. La fricción entre el globo y la bolsa plástica también genera una transferencia de carga. En este caso los electrones son adheridos a la bolsa plástica.

Serie Triboeléctrica +

Vidrio Cabello Humano Nylon Lana Piel Aluminio Poliéster Papel Algodón Acero Cobre Niquel Goma Acrílico

Figura. 10. Un peine cargado negativamente con pedazos de papel adheridos debido a la transferencia de electrones del pelo al peine.

Poliuterano -

Teflón

Figura 11. Listado de materiales triboeléctricos.

Al separar las esferas quedan cargadas, una positiva y la otra negativamente (Fig.12C) y las cargas se distribuyen por la superficie de los conductores (Fig.12D). A este mecanismo de trasferencia de carga se le conoce como inducción de cargas.

Figura 12. Mecanismo de transferencia de carga por inducción. A. Dos esferas conductoras neutras. B. Cuando una barra con carga positiva es acercada, las cargas negativas de las esferas se acercan y las positivas se alejan de la barra. C. Las esferas conductoras son separadas. D. Una esfera queda cargada positivamente y la otra negativamente.

• Carga por capacitador: Son cargas almacenadas en dispositivos denominados capacitores, los cuales poseen energía eléctrica a partir de unas placas conductoras con un material aislante en medio. La capacitancia puede ser calculada como la constante eléctrica del medio aislante (K) por el área transversal de las placas (A) y dividido entre la distancia entre las placas conductoras (d) (Fig. 13).

Figura 13. Un capacitador eléctrico.

Fuerza eléctrica La carga tiene ciertas características dependiendo de su signo. Estas tenderán a repelerse o atraerse entre sí. La fuerza de interacción entre cargas (fuerza electrostática) es descrita por la ley de Coulomb. Si tenemos dos cuerpos cargados y la distancia entre ellos es mayor que su tamaño, entonces la fuerza entre estos dos cuerpos será directamente proporcional al producto de sus cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La fuerza actúa sobre la línea que une a los cuerpos y matemáticamente se expresa como:

Donde r es la distancia entre las cargas, q1 y q2 representan la cantidad de carga de los cuerpos y k es la constante de proporcionalidad. Hay muchos fenómenos que son descritos por esta ley. Los compuestos iónicos forman enlaces por las atracciones eléctricas. Otro ejemplo es cuando se lava la ropa o se plancha, esta es adherida entre sí debido a la estática.

¿Sabías que… Charles A. de Coulomb (1736 -1806) fue un físico francés, en cuyo honor, la unidad de carga eléctrica se denomina: Coulomb. Él es recordado por la descripción de la fuerza de interacción entre cargas de manera matemática (Fig. 14).

Campo eléctrico (E) Nos hemos preguntado: ¿Porqué no podemos flotar en el aire? Esto se debe a que estamos inmersos en un campo gravitatorio, el cual es una gran región del espacio donde se experimenta la magnitud física de la fuerza gravitatoria, producida por la interacción de las masas de dos o más cuerpos. Debido a esto somos atraídos hacia el centro de la Tierra. De una forma similar, las cargas eléctricas se atraen o se repelen y se relacionan por la ley de Coulomb. Cada cuerpo cargado produce un campo eléctrico. Si se poseen dos cuerpos cargados, situados a una distancia uno del otro, éstos experimentan una fuerza y sea cual sea el medio en el que se encuentren las cargas siempre experimentarán esta fuerza eléctrica. El campo eléctrico es una región en el espacio donde se puede medir la magnitud física de fuerza eléctrica. El campo eléctrico lo podemos representar por líneas que están en dirección de la fuerza. Estas líneas, también son llamadas líneas de campo eléctrico. Estas líneas pueden ser de dos formas, dependiendo del signo de la carga. Si es positiva, la dirección sale de la carga (Fig. 15A) y si es negativa entra a la carga (Fig. 15B).

Figura 14. Charles A. Coulomb.

Ya que investigó el magnetismo y la electricidad se convirtió en el primer científico en establecer en forma cuantitativa las leyes de la electrostática. Además estudió la electrización por frotamiento y la polarización e introdujo el concepto: momento magnético.

Las líneas de campo eléctrico se comportan de forma diferente, cuando interactúan dos cargas de igual signo (Fig. 16A) o dos cargas de signo distinto (Fig. 16B)

Figura 15. Líneas de campo eléctrico. A. Para una carga positiva las líneas van en dirección hacia afuera. B. Para una carga negativa las líneas van en

Durante veinticinco años, presentó 25 artículos a la Academia de Ciencias de París sobre electricidad, magnetismo, torsión y aplicaciones de la balanza de torsión.

dirección hacia adentro.

C. Coulomb aprovechó varios puestos que tuvo en su vida. Así, de su experiencia como ingeniero lo llevó a investigar la resistencia de materiales y determinar las fuerzas que afectan a los objetos sobre las vigas, por lo que contribuyó al campo de la mecánica estructural. Coulomb falleció en 1806, a los cinco años de convertirse en presidente del Instituto de Francia (antiguamente conocido como Academia de Ciencias de París).

Figura 16. Líneas de campo eléctrico. A. Para dos cargas de igual signo. B. cargas de diferente signo.

La magnitud del campo eléctrico depende de la posición sobre las líneas del campo de la carga que lo está produciendo. El campo eléctrico es proporcional a la fuerza eléctrica entre cargas e inversamente proporcional a la carga de prueba (considerada positiva). La unidad de campo eléctrico en el SI (Sistema Internacional) es el Newton sobre Coulomb (N/C). Un campo eléctrico tiene magnitud como dirección y matemáticamente la magnitud de campo eléctrico viene dado por:

Donde: F es la fuerza eléctrica entre las cargas y q es la carga de prueba. El concepto de campo eléctrico no sólo facilita comprender la interacción entre cargas en reposo, sino también cuando la cargas están en movimiento. DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Mecanismos de transferencia de carga (Tiempo aproximado: 30 minutos) El objetivo de esta actividad, es observar el fenómeno de transferencia de carga entre materiales, manifestando las varias cargas que obtienen ciertos objetos. Se deber evitar hacer la actividad en días húmedos o lluvioso. Forme parejas de estudiantes y repártales los materiales que necesitarán.

Preguntar: ¿Qué creen que sucede con los globos cuando los frotamos sobre el cabello? ¿Qué pasa con el globo al colocarlo en la pared? ¿Qué sucederá si ponemos juntos dos globos frotados en el cabello? Materiales: • 2 globos • 1 reloj de mano o un cronómetro Procedimiento: 1. Que inflen los globos y los froten en el cabello. Que anoten lo que observan con el cabello del que lo frotó y luego que coloquen el globo en la pared (Fig. 17). 2. Solicite que froten nuevamente los dos globos en el cabello y que se coloquen a la par. 3. Expliquen lo sucedido comparando las predicciones realizadas (Fig. 18). 4. Pídales que dibujen un esquema de la distribución de las cargas en las diferentes experiencias, identificando la carga del globo frotado como negativa. 5. Como actividad para hacer en casa pídales que repitan el proceso de frotación del globo. Con un reloj deberán tomar el tiempo que pasa pegado en la pared en la escuela y luego, medir el tiempo del globo frotado en la pared del baño de sus casas. Preguntar: ¿Qué observan? ¿Por qué sucede esto? Esto es debido a la humedad, es decir por las partículas de agua que se encuentran en el aire los electrones se moverán en el medio de manera más rápida que en un ambiente seco.

Figura 17. Globos adheridos a la pared. La pared es neutral pero la carga negativa del globo provoca que la pared distribuya la carga positiva al lado del globo y así mantenerse adherido a la pared.

Figura 18. Los globos después de frotarse en el pelo se separan debido a que se encuentran cargadas igualmente.

2. Fuerza eléctrica y polaridades de carga (Tiempo aproximado: 45 minutos) El objetivo de esta actividad es observar la interacción entre las cargas (fuerza eléctrica) y cómo esta depende de la polaridad de la carga (carga positiva o negativa). Formar grupos de 3 ó 4 estudiantes y repartirles los materiales que necesitarán. Materiales: • 1 peine de plástico • 1 prenda de lana • 1 botella de plástico con un orificio y agua en su interior Figura 19. Esquema de cómo el peine curva el agua.

Procedimiento: 1. Deje correr el agua de la botella de manera que salga un chorro pequeño, pero fluido. Luego, frote de manera intensa y rápida el peine con la prenda de lana (también se podría usar un lápiz y frotarlo en el cabello de una persona, siempre y cuando el cabello no esté grasoso ni húmedo). 2. Acerque el peine al chorro de agua sin tocarlo. Preguntar: ¿Por qué el chorro de agua es desviado de su trayectoria normal? Se debe a la inducción de cargas por el peine. El agua es eléctricamente neutra, es decir, posee igual numero de cargas positivas como negativas. El peine queda cargado negativamente por la friccion con la lana. La carga negativa del peine provoca una desviacion de atraccion o repulsion en el agua (dependiendo del lugar en que se acerque), ya que por la ley de Coulomb (fuerza entre cargas), si las cargas son iguales se repelen (el agua se aleja del peine) y si las cargas son diferentes se atraen (el agua se acerca al peine) (Fig. 19). 3. ¿Qué ocurrirá si utilizamos otro material en vez del peine (por ejemplo una varilla cargada)? El fenómeno observado será igual. La diferencia podría ser que las cargas inducidas sean de signo diferente, pero el resultado total siempre será el mismo. ¿Qué ocurre cuando frotamos el peine con la prenda de lana? Estamos “arrancando” electrones. De esta forma se está cargando el peine por el mecanismo de transferencia de carga conocido por fricción. 4. Que dibujen lo observado en el experimento. Enfatizar: Las interacciones de las cargas son debido a la fuerza eléctrica ejercida entre ellas y depende de la polaridad de la carga. Todo se describe por la ley de Coulomb. Además, la interacción es un resultado de la existencia de un campo eléctrico generado por las cargas. 3. Conductores y aislantes (Tiempo aproximado: 45 minutos) El objetivo de esta actividad es demostrar materiales que son conductores de cargas eléctricas y materiales que son aislantes. Formar grupos de 2 ó 3 estudiantes y repartirles los materiales que necesitarán.

Materiales: • 1 bombilla (foco) • 1 batería de 1.5 voltios • 2 pedazos de alambre de cobre delgado • 1 cinta aislante • 1 llave • 1 moneda de 1 ctvo • 1 regla de plástico • 1 borrador para pizarra • 1 pedazo de tela de algodón • 1 tornillo • 1 vaso con solución salina (3 cucharadas de sal en agua) • 1 vaso con vinagre Procedimiento: 1. Arme el sistema de la Figura 20. Cuide de usar cinta aislante para asegurar el flujo de la carga eléctrica proveniente de la batería. Una los extremos sueltos de los alambres de cobre y compruebe que encienda la bombilla. 2. Que construyan una tabla (Tabla 1) en el cuaderno, escribiendo los materiales que serán probados. La segunda columna indicará la predicción y la última columna será el resultado del experimento al conectar los materiales con los extremos de los alambres de cobre en el circuito. Preguntar: dentro de los materiales conductores, ¿cuáles conducen mejor la electricidad? El alambre de cobre y se puede deducir por la potencia del alumbrado.

Figura 20. Esquema del arreglo experimental Tabla 1. Conductores y aislantes.

Material

Predicción de conductividad

Resultado experimental

Llave Borrador Algodón Tornillo Alambre Cobre Agua con Sal Regla de plástico

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Computación El desarrollo de la humanidad está íntimamente relacionado a los avances en la computación. Las Ciencias Naturales utilizan frecuentemente la computación para hacer cálculos o para simulaciones de experimentos. Esta actividad tiene como objetivo mostrar la importancia del uso de la computación para aprender Física. Actividad: Se debe tener acceso a internet o haber descargado con anterioridad la aplicación que se utilizará. Cada estudiante debe tener una computadora, de lo contrario puede proyectarlo en una pantalla mediante un proyector. Utilice el simulador PhET desarrollado por la universidad de Colorado y abra el siguiente enlace http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/chargesand-fields_en.html . Coloque diferentes cargas en el sistema. Que observen cómo cambian las líneas de campo y cómo depende este de la cantidad de cargas en el sistema. Que describan lo observado en el cuaderno y en una lluvia de ideas discútanlo; que hagan énfasis en la relación entre la carga y el campo eléctrico y como éste depende del signo de la carga. Enfatizar: Dependiendo del signo y la cantidad de la carga, así cambiarán las líneas de campo en el sistema.

REFERENCIAS 1. Morales, A. [2000] Control Electrostático. Extraído en marzo de 2011 desde http://www.terra. es/personal2/ammolina/esd.pdf 2. Hewitt, P. [2004] Física Conceptual. Novena edición. México: Person Addison Wesley. 3. Hecht, E. [1999] Física 1. Álgebra y Trigonometría. Segunda edición. México: Thomson. 4. University of Colorado at Boulder [2010] Electricity, Magnets & Circuits. Extraído en diciembre de 2010 desde http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-and-fields_en.html 5. Zamora, X., Duren, S., Friedrichsen, J., [2004] Charge It! Extraído en marzo de 2011 desde http://www.teachengineering.com/view_activity.php?url=http://www.teachengineering.com/collection/cub_/activities/cub_electricity/cub_electricity_lesson02_activity1.xml&rights=true

¡Veamos qué hemos aprendido! 1. Responde lo siguiente: 1. ¿Por qué utilizan metales para hacer conexiones eléctricas? _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ 2. ¿Cuál es la diferencia entre un material conductor y un aislante? _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ 3. Menciona los diferentes mecanismos de transferencia de carga: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 2. Mecanismos de transferencia de carga: Materiales: 1 peine, papel periódico, 1 varilla de vidrio, 1 tijera y un paño de seda. Procedimiento: 1. Corta varios trozos de papel y colócalos sobre la mesa. 2. Frota el peine en el cabello de algún compañero(a), cuidando que el cabello esté seco y sin crema ni gel. Deberá pasar el peine por el cabello varias veces y rápidamente lo acercarán a los trozos de papel. 3. Repite el proceso de frotamiento usando la varilla de vidrio y el paño de seda: ¿Por qué fueron adheridos los trozos de papel al peine? ¿Qué tipo de transferencia de carga ocurrió? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

Lección 8

3 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Cambios físicos: disolución OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Comprender la disolución como un cambio físico reversible. 2. Diferenciar entre el soluto y solvente en una solución. 3. Relacionar la interacción de las partículas del solvente con las del soluto en la disolución.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Clasifica el proceso de disolución como un cambio físico. 2. Infiere la reversibilidad del proceso de disolución. 3. Comprende las interacciones que se establecen entre las partículas del soluto y el solvente en el proceso de disolución. 4. Interpreta el porqué unas sustancias son solubles entre si y otras no.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. La solubilidad de la materia 2. Soluto y solvente 3. El proceso de disolución

DESCRIPCIÓN Los cambios físicos involucran aquellos procesos en los que la materia no cambia su composición, su naturaleza, pero sí su forma, volumen o su estado. Uno de estos procesos es el proceso de disolución, en el cual un compuesto al mezclarse con otro establece interacciones moleculares, cambia su forma y puede cambiar de estado. Ambos compuestos conservan sus propiedades, no así su apariencia. Otra característica que presentan los cambios físicos es su reversibilidad, es decir, una vez cesa la causa del cambio, la materia puede regresar a su estado anterior. En el caso de las soluciones, éstas pueden volver a separarse en sus componentes originales. Por ejemplo, al mezclar azúcar y agua, cada una conserva sus propiedades y pueden separarse por métodos físicos. Figura 1. Las bebidas que consumimos son soluciones acuosas.

CONCEPTOS CLAVES Solución: Es una mezcla homogénea donde las propiedades de sus componentes se conservan. Los componentes pueden separarse por cambios de fase como la evaporación u otros (Fig. 3)

Figura 3. La solución es una mezcla homogénea a nivel molecular o iónico de dos o más especies químicas que no reaccionan entre sí.

Soluto: Es la sustancia presente en menor cantidad en una solución. Lo que se disuelve en el solvente (Fig. 4). Solvente: Es la sustancia presente en mayor cantidad en una solución que permite la dispersión del soluto (Fig. 4).

Figura 4. Toda solución está formada por un soluto y un medio dispersante denominado disolvente o solvente.

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Disolución Todos hemos notado que algunos sólidos se disuelven en agua y otros no. Por ejemplo, adicionamos azúcar al agua y aquella se disuelve. Añadimos sal en agua y ocurre un proceso similar, desaparece ante nuestros ojos. Como estudiamos en la Lección 6, este es un cambio físico de la materia, ya que tanto el sólido como el agua conservan sus propiedades y es posible separar sus componentes en sus estados originales. En el proceso físico de la disolución, la sustancia que se disuelve se denomina soluto y la sustancia donde el soluto se disuelve se llama solvente. Una mezcla que posee soluto y solvente es llamada solución. En general, la solubilidad es la facilidad con la que una sustancia se disuelve. Cuando se disuelve azúcar en agua: • El azúcar es el soluto. • El agua es el solvente. Podemos deducir que una de las características del azúcar es su solubilidad en agua. Pero: ¿Existen únicamente soluciones donde el solvente es el agua o pueden usarse otros solventes? Claro que sí. Las soluciones pueden ser sólidos disueltos en líquidos, gases disueltos en líquidos (como los refrescos de soda), gases disueltos en otros gases (como el aire) y líquidos en líquidos (como alcohol en agua). Las soluciones de sólidos en sólidos se llaman aleaciones. ¿En qué consiste el proceso de disolución? 1. El soluto se adiciona al solvente y poco a poco, el soluto concentrado se va separando. 2. Las moléculas del solvente comienzan a separarse para dejar espacio para las moléculas del soluto; por ejemplo, las moléculas de agua se separan para dejar espacio a las moléculas de azúcar. 3. El soluto y el solvente interactúan uno con el otro hasta que la concentración de las dos sustancias es igual en todo el sistema. La concentración del azúcar en el agua será la misma arriba, abajo y en medio de la solución (Fig. 2).

Figura 2. Proceso de disolución. A. El soluto entra al sistema y B. el soluto se dispersa homogenéamente.

¿Por qué los compuestos se disuelven? Ahora nos preguntamos: ¿Porqué el azúcar y la sal se disuelven en el agua, mientras otras sustancias no? En el proceso de disolución, las moléculas del solvente rodean a las moléculas del soluto y separan las partículas que lo conforman. Para que este proceso ocurra, las fuerzas de atracción entre las moléculas del soluto tienen que ser superadas y nuevas fuerzas de atracción entre el solvente y el soluto tienen que ser originadas. Las sales están conformadas por iones con carga positiva y negativa atraídas hacia sí. Por ejemplo, cuando la sal (NaCl) se disuelve en agua (H2O, Fig. 5), cada uno de los iones de la sal es rodeado por moléculas del solvente (agua) y separados (solubilizados), llevándose a cabo de esta manera el proceso físico de la disolución de la sal. Las interacciones entre las moléculas del solvente y el soluto son mayores que las interacciones entre los iones del soluto. Si no se establecen interacciones entre el soluto y el solvente capaces de superar las fuerzas de atracción entre las moléculas de soluto, éste no se disuelve. Por ejemplo las fuerzas de interacción entre las moléculas del aceite son mayores que las interacciones entre el aceite y el agua, y por esto el aceite no se disuelve en el agua. Figura 5. Disolución de sal en agua.

Figura 6. Algunas interacciones que se establecen entre el azúcar y el agua.

Para que el azúcar se disuelva en agua deben establecerse interacciones entre el solvente (agua) y soluto (azúcar). Partes de la estructura de la molécula de azúcar son semejantes a las del agua (dipolos, Lección 8, 2do Grado) y por esto, se establecen las interacciones necesarias para la disolución del azúcar en agua (Fig. 6). 93

Materiales (Actividad 2): • 1/2 taza de agua • 1/2 taza de aceite • 2 cucharadas de sal • 2 cucharadas de azúcar • 4 vasos plásticos

DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Solubilidad Actividad 1 (Tiempo aproximado: 15 minutos) Esta actividad servirá para recordar las propiedades de los sólidos y los líquidos, así como para contextualizar el tema. Pregunte a sus estudiantes sobre experiencias de su vida donde hayan mezclado un sólido en agua. Pueden realizarse las preguntas: • ¿En qué se diferencia el azúcar (o sal) del agua (color, sabor, estado)? • ¿Qué bebidas prefieren tomar que contengan azúcar? • ¿Para qué se utiliza la sal en la cocina? • ¿Por qué el azúcar y la sal “desaparecen” en el agua? • ¿Qué otros sólidos conocen que se disuelvan en el agua? • ¿Qué otros líquidos hay en su casa? • ¿Han visto mezclar sólidos en otros líquidos aparte del agua? • ¿Por qué usamos el agua para la mayoría de nuestras actividades? • ¿Conocen algún sólido que no se disuelva en el agua? • ¿Conocen algún líquido que no se disuelva en el agua? • ¿Qué sabor tiene el agua de mar? ¿Qué contiene el agua de mar? La mayoría de preguntas corresponden a temas ya vistos en lecciones anteriores. En esta fase exploratoria conocerá las ideas que los estudiantes tienen sobre la solubilidad, las propiedades del agua (de los líquidos y los sólidos). Puede guiarlos a postular hipótesis de cómo los sólidos se disuelven en el agua y por qué no todos los sólidos son solubles. Actividad 2 (Tiempo aproximado: 30 minutos)

Discutan sobre el siguiente vocabulario: • Solubilidad: La facilidad de una sustancia para disolverse. Es la cantidad de una sustancia (denominada soluto) que puede ser disuelta en una cantidad dada de líquido (llamado solvente). • Disolver: Es el acto de combinar una sustancia con otra, de tal manera, que formen una mezcla uniforme (homogénea) de los dos. Es cuando una sustancia “desaparece” en un solvente. Figura 7. Sustancias a utilizarse en • Soluto: La sustancia que es disuelta en un solvente, se encuenlas Actividades 2 y 3. tra en menor cantidad.

• Solvente: Sustancia (usualmente, líquida) capaz de disolver o dispersar una o más sustancias. Se encuentra en mayor cantidad. • Soluble: Sustancia capaz de disolverse en un solvente. • Insoluble: Sustancia incapaz de disolverse en un solvente. Pregúntele a sus estudiantes qué entienden por solubilidad, por ejemplo: ¿Pueden los sólidos pasar a líquidos? Sí, al fundirlos o disolverlos en un líquido. ¿Qué es un soluto? Algo que se disuelve en otra sustancia. ¿En qué se disuelve el azúcar? En agua; en este caso, el azúcar es el soluto. ¿Qué es un solvente? Un compuesto donde se disuelve una sustancia nombrada soluto. ¿Habrán líquidos donde el azúcar no se disuelva? Sí, en el aceite. ¿Cómo se sabe cuando algo se ha disuelto? No se distingue el soluto del solvente, es decir, se observa una sola fase (Fig. 7). Muéstreles los materiales a utilizar para la actividad. Durante el resto de la clase permita que los estudiantes dibujen los materiales (líquidos y sólidos) para que se familiaricen con el experimento y que describan en sus cuadernos las características de cada uno. 3. Soluto y solvente Actividad 3 (Tiempo aproximado: 45 minutos) En esta actividad se usarán los materiales mencionados en la actividad anterior (azúcar, sal, etc.) (Fig. 7). 1. Coloque una cucharada de azúcar en dos vasos plásticos y una cucharada de sal en otros dos vasos. 2. Pase a sus estudiantes los vasos con los solutos para que cada uno los observe y recuerden las ideas de la clase anterior. Esto les dará una mejor idea de cómo lucen los solutos previos a la disolución. 3. Añada agua a un vaso conteniendo azúcar y otro conteniendo sal, y aceite a los otros dos vasos. 4. Agite cada uno de los vasos hasta tratar de disolver todo el sólido. 5. Pídales que dibujen el experimento en su cuaderno, tanto el sólido sin solvente como el producto de la disolución (Fig. 8). 6. En los dibujos deben especificar cuál es el soluto y cuál es el solvente.

Figura 8. Proceso de incorpación del azúcar y sal, a los vasos conteniendo agua y aceite.

La solubilidad describe cuán fácil es para una sustancia disolverse en un líquido. Si se disuelve un sólido en un líquido, el sólido es llamado soluto y el líquido es llamado solvente. 7. Permita que sus estudiantes formulen hipótesis del por qué el azúcar y la sal no se disuelven en el aceite, pero en el agua sí. Pregúnteles: ¿Por qué el azúcar y la sal no se disolvieron en el aceite? Solicíteles que propongan hipótesis tomando en cuenta las interacciones entre el soluto y el solvente. Oriénteles para que respondan que no se establecen interacciones entre el soluto y el solvente. 8. Explíqueles lo que ocurre realmente. Durante el proceso de disolución (formación de una solución) algunas interacciones son rotas y otras son formadas. Las interacciones que se rompen son las que mantienen al soluto aglutinado. Las interacciones formadas son entre el soluto y el solvente. En general, las partículas de soluto son rodeadas por las partículas de solvente y separadas unas de otras. Pídales que hagan modelos del proceso de disolución con objetos caseros (botones, canicas, cuentas de collares, etc. (Fig. 9) y que dibujen y expliquen en su cuaderno el proceso.

Figura 9. Modelo del proceso de disolución utilizando botones.

Actividad 4 (Tiempo aproximado: 45 minutos) Como sabemos el proceso de disolución es un proceso físico, por lo tanto, es reversible. En esta actividad se demostrará la reversibilidad de las disoluciones; es decir, separaremos el solvente del soluto. Para esto se utilizará la técnica de separación por evaporación, la cual se utiliza para separar sales no volátiles de un líquido. Los líquidos se evaporan a todas las temperaturas, pero la evaporación se hace más rápida a temperaturas altas. Para esto la solución a separar se coloca en un recipiente resistente al calor y se calienta suavemente. Gradualmente, el solvente se evapora y en el recipiente queda el soluto (Fig. 10). Previamente prepare 1 L de una solución sobresaturada de sal (cloruro de sodio, NaCl) en agua. Para esto ponga a calentar agua y añada bastante sal hasta que ya no se disuelva. Deje enfriar la solución y guárdela en un recipiente para llevarlo al salón de clases. Organice a sus estudiantes en grupos de tres integrantes y entrégueles una hoja Figura 10. Proceso de evapode papel de color oscuro, especialmente negro. Cada grupo deberá ración del solvente. rotular su hoja de papel y mojarla por una cara con la solución sobre-

saturada de sal. La colocarán al sol y regresarán al salón de clases. Durante el desarrollo de la clase, recuérdeles el proceso de la evaporación, el cual fue estudiado en la lección de Materiales líquidos. En caso de que tenga acceso a un mechero, puede hacer la demostración de la evaporación del solvente en el salón de clases (Fig. 10). Cuando el líquido se haya evaporado muéstreles la sal residual en el recipiente de evaporación. Pregúnteles de qué forma creen que este proceso puede ser de utilidad en su hogar, ya sea en los quehaceres diarios o para alguna actividad económica. Antes de que termine la hora de clases, deberá revisar las hojas puestas al sol y observarán los cristales residuales de la sal. El sol proporcionó la energía necesaria para aumentar la energía cinética de las moléculas del solvente, pasando éstas a la fase gaseosa. El soluto (la sal) requiere de una gran cantidad de energía para pasar a gas, y la energía solar no es suficiente. Debido a esto, el solvente se evapora, pero el soluto permanece en estado sólido. Así se separan el soluto y el solvente. Cada uno conserva sus propiedades luego del proceso físico de la disolución. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Sociedad Déjeles de tarea que investiguen individualmente los procesos que se utilizan para obtener la sal de cocina y el azúcar que usamos diariamente y que añadan esta información a su cuaderno (Fig. 11A y 11B).

Figura 11. A. En la producción de sal se aprovecha la energía solar para evaporar el solvente (agua). La sal (soluto) residual se recoge para su comercialización y B. en la evaporación del jugo de caña se utiliza energía para separar el solvente (agua) del azúcar (soluto).

REFERENCIAS 1. Petrucci, R., Harwood, W., Herring, G. [2003] Química General: Enlace químico y estructura de la materia. Prentice Hall, 8ª. Edición. 2. Capel, H., Bleda, J., Muñoz, R. [2003] Conceptos de Química. Ediciones del Serbal, S.A., 1ra. Edición. 3. Video [s.f.] Soluciones diluidas y concentradas. Extraído en noviembre de 2010 desde http:// www.youtube.com/watch?v=ndHGPOd82n8&feature=related 4. Video [s.f.] Soluciones. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www.youtube.com/watch ?v=MzNO2AffaOQ&feature=related 5. Video [s.f.] Como se disuelve la sal. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www.youtube. com/watch?v=gN9euz9jzwc&feature=related 6. Video [s.f.] Soluble e insoluble. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www.youtube.com/ watch?v=ek6CVVJk4OQ&feature=related

¡Veamos qué hemos aprendido! 1. De los siguientes compuestos, señale cuáles son solubles en agua:

2. El siguiente esquema representa la mezcla de un soluto y un solvente. Señale cuál es el soluto y cuál es el solvente y explique lo que sucede al mezclarlos:

3. En este ejercicio usaremos las diferencias en solubilidad en agua de la sal (NaCl) y arena para separarlos cuando se encuentran mezclados. Materiales: • ¼ taza de arena • ¼ taza de sal • 2 vasos plásticos transparentes • Embudo

• Papel filtro de cafetera • Agua • 1 lupa • 1 servilleta

Antes de comenzar, examine la sal y la arena de cerca para hacer algunas observaciones inicia-

les. Coloque un poco de sal y un poco de arena en una servilleta y usando una lupa, obsérvelas y anote sus características. Puede realizar una tabla como la siguiente: Sal

Arena

Observaciones antes de mezclar Observaciones al mezclarlos Observaciones al adicionar agua Observaciones después de separar y secar

En un vaso transparente adicione ¼ de taza de sal y ¼ de taza de arena. Agite ambos componentes hasta que estén completamente mezclados. Usando la lupa observe la mezcla y anote las observaciones. ¿Puede ver individualmente la sal y la arena? Añada agua a la mezcla y agite. Observe de nuevo la mezcla con la lupa: ¿Puede observar la arena? ¿Puede ver la sal? Explique lo que ha ocurrido. Coloque el papel filtro sobre el embudo tal como muestra la figura:

Lentamente, vierta la mezcla de arena, sal y agua sobre el filtro, con cuidado de no verter demasiada mezcla en el embudo. Observe el papel filtro: ¿Qué componente observa? Raspe un poco de lo que se encuentra en el papel y observe con la lupa ¿Continúan la arena y la sal mezclados? Si no es así, ¿dónde está la sal? ¿Puede obtener la sal en estado sólido de nuevo? ¿Qué proceso interviene en la separación de la sal y de la arena? Interprete y explique los resultados basándose en la diferencia en solubilidad de la arena y la sal en agua.

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Lección 9. Reproducción

natural de las plantas

DESCRIPCIÓN En esta lección se identifica a la flor como el órgano de reproducción de las plantas con flores, así también se relaciona el papel que tienen algunos insectos en el proceso de polinización. Además se clasifican algunas plantas con flores y sin flores, nativas y exóticas en la comunidad.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar a la flor como órgano sexual de las plantas. 2. Describir la polinización en la producción de las plantas.

8 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Observación de plantas en la comunidad. 2. Interpreta procesos de polinización. 3. Hace preguntas sobre la reproducción de las plantas. 4. Comprensión de un problema, tarea o situación desafiante.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Plantas con flores y sin flores. 2. Reproducción sexual de las plantas con flores.

Figura 1. Flor de izote (Yucca elephantipes).

CONCEPTOS CLAVES

Plantas hermafroditas: Las plantas son hermafroditas cuando en la flor tienen el órgano sexual masculino y el órgano sexual femenino. Los estambres (estructura masculina) tienen en sus puntas las anteras, que al abrirse liberan polen, el cual, por gravedad, se desliza a través del pistilo (estructura femenina) llegando al ovario donde fecunda al óvulo en la misma flor. Este proceso origina el embrión de una nueva planta que es protegido por la semilla y el fruto o resto del óvulo. A este evento se le llama autofecundación y puede darse por agentes polinizadores o por la intervención de dispositivos florales. La autofecundación es una ventaja adaptativa, pero conlleva el riesgo de producir poca variabilidad hereditaria.

¿Qué deberían saber usted del tema? La flor. Por la presencia del órgano de la flor (Fig. 1), las plantas se clasifican en: LAS PLANTAS

Con flores

Fanerógamas

Todos los tipos de flores

Ejemplos: • Rosas • Lirios • Orquídeas • Girasoles

Sin flores

Criptógamas

Inferiores

Ejemplos: • Helechos • Musgos • Equisetos • Hepáticas

Superiores

Ejemplos: • Pinos • Cicas • Araucarias • Cipreses

Figura 2. Clasificación típica de las plantas de acuerdo a la presencia de flores y semillas.

La pregunta es entonces: ¿para qué le sirve la flor a la planta? La flor cumple con la función de la reproducción sexual en la planta. La flor es la que se transforma en el fruto, tiene la semilla y en ella, el embrión de la nueva planta con la forma física similar a la llamada “planta madre”. Las partes principales de las flores son: Corola: Está formada por los pétalos, que generalmente son de

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vistosos colores. Cáliz: Está formada por los sépalos, que casi siempre son de color verde. Androceo: Es la parte masculina de la flor formada por los estambres. Cada estambre se divide en filamento y antera. En las anteras se guarda el polen. La polinización es la transferencia del polen desde el androceo hasta el gineceo. Gineceo o pistilo: Es la parte reproductiva femenina de la flor. Consta a su vez de estigma, estilo y ovario, que contiene los óvulos. Las flores (Fig. 3) que poseen las cuatro partes principales: corola, cáliz, androceo y gineceo, se llaman flores completas, de lo contrario se denominan incompletas. Cuando la flor posee tanto la parte masculina como la femenina, se conoce como flor perfecta (aun si carece de cáliz y corola); no obstante, si es una flor masculina o femenina, se considera imperfecta.

Figura 3. Corte longitudinal de una flor perfecta y completa. Se observan sus estructuras.

Las abejas (Fig. 4) al posarse en la flor adhieren y trasladan el polen en sus patas, llevándolo de flor en flor mientras recolectan alimento. Esto permite que las plantas se reproduzcan. Las flores producen el néctar, que es una solución de azúcares, minerales y otros compuestos químicos que la abeja recoge para convertirla en miel. La miel tiene muchas utilidades, por ejemplo, en la alimentación, la medicina, la industria cosmética, etc.

Figura 4. La abeja (Apis melifera) es un polinizador.

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CONCEPTOS CLAVES

DESARROLLO DE LA LECCIÓN

Polinización: Poceso de transporte de granos de polen desde los sacos polínicos en las anteras de los estambres hasta la fecundación de los óvulos en las plantas gimnospermas o hacia el estigma en las angiospermas. En el transporte participan agentes polinizadores: bióticos y abióticos.

1. Las flores de la escuela (Tiempo aproximado: 45 minutos) Oriente a los estudiantes a organizarse en equipos de 3 miembros. Pídales conversar sobre ¿qué formas tienen las flores de las plantas en la escuela? ¿por qué tendrán colores vistosos? Pídales hacer un recorrido por la escuela y la comunidad e indíqueles que dibujen en el cuaderno una flor con el nombre de la planta. Si es posible que la abran y la observen directamente por dentro. Y dialoguen sobre la forma, el color, tamaño y aroma.

Polinización directa o autogamia o: El transponte de polen y la fecundación ocurre entre distintas flores en la misma planta.

2. Clasifiquemos plantas (Tiempo aproximado: 30 minutos) Pída a los estudiantes conversar y contestar en grupo la siguiente pregunta: ¿Hay plantas que no tienen flores? (Fig. 5). Pedir a los estudiantes escribir un listado de nombres de plantas con flores y sin flores que conocen en la comunidad. Solicite a tres estudiantes voluntarios que lean a toda la clase los resultados de la pregunta y anotar en la pizarra el listado de plantas con y sin flores que conocen.

Polinización cruzada: Es cuando el transporte del polen y la fecundación ocurre entre distintas flores de distintas plantas. La fecundación es cruzada o alogamia cuando los órganos sexuales masculinos y femeninos en la misma flor no maduran al mismo tiempo, lo que facilita el cruce con flores de demás plantas.

Figura 5. Flores ocultas. El “amate” (Nombre común de varias especies del género Ficus), es un árbol que se reproduce por flores (A); no obstante, estas se disponen dentro de una estructura llamada sícono, como ocurre con los higos (B).

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Historia de la Ciencia y de la Tecnología Gregor Mendel (Fig. 6) provenía de una familia muy pobre. Para escapar de la pobreza se hizo sacerdote. En 1853 quiso estudiar para profesor en la Universidad de Viena pero sus maestros lo consideraron “pobre en la capacidad de descubrir y en tener claridad de los conocimientos”. Por ello, en el monasterio le prohibieron dar clase. A pesar de ello aprovechó el jardín de ese lugar y estudió cómo las plantas de guisantes transmitían el color y textura a las plantas descendientes. Así, se convirtió en pionero de la Genética.

Aclare que cada planta tiene floración en períodos determinados del año. Oriéntelos para que consulten a sus padres y familiares en casa. 3. Los helechos (Tiempo aproximado: 45 minutos) Muestre a los estudiantes un helecho (por ejemplo, una “cola de ardilla”, Fig. 7) e indíqueles que observen las esporas en la parte de atrás de la hoja y que las dibujen. Explique que estas son plantas que no tienen flores y se reproducen por esporas. Pregúnteles sobre el limón y el clavel ¿son plantas con o sin flores? 4. Plantas con flores y sin flores (Tiempo aproximado: 45 minutos) Explicar que en el reino plantee, existen plantas sin flores y plantas con flores. A las plantas sin flores, se les llama criptógamas. Estas pueden ser inferiores y superiores: A. Inferiores (se reproducen por Esporas) • Musgos: Tapizan cortezas de árboles o rocas lisas y se reproducen por esporas (Fig. 7). • Helechos: Plantas que se reproducen por esporas.

Figura 7. Los helechos (A) y musgos (B) son plantas inferiores.

Figura 6. Gregor Mendel. Considerado el “padre de la Genética”, estu-

B. Superiores o gimnospermas: Tienen la semilla desnuda (se reproducen por semilla). Ejemplo: pinos, araucarias, casuarinas, etc.

dió la reproducción de las plantas de guisante o alverjas (Pisum sativum).

A las plantas con flores, se les denominan fanerógamas. Ejemplos son: rosales, geranios, etc. • Angiospermas: Tienen la semilla escondida en un fruto. Ejemplos: mango (Mangifera indica), aguacate (Persea americana), melón (Cucumis melo), sandía (Citrullus lanatus), etc.

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Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente En 1866 Gregor Mendel, entusiasmado publicó en la revista Sociedad de Historia Natural de Brunn, Checoslovaquia, los resultados de sus cruces genéticos que estudió durante casi 30 años en el jardín de su monasterio, pero no llamó el interés de los científicos de la época. Nadie entendía la precisión estadística de sus datos. Pasaron 40 años más para que Hugo De Vries, un botánico, reconociera su importancia para poder explicar mejor la Teoría de la Evolución de Darwin que no pudo explicar cómo se transmitían los caracteres que G. Mendel llamó como dominantes y recesivos.

5. El sexo en las flores (Tiempo aproximado: 30 minutos) Muestre ejemplares naturales de flores a los estudiantes y pídales que observen e indaguen: ¿Cuál es el órgano femenino y masculino en esta flor? Permita que dibujen los órganos reproductores. Pida que, en equipo, los estudiantes debatan y dibujen la manera cómo creen que se da la fecundación en las flores. Permita que hagan exposiciones a toda la clase. Retome las ideas de los estudiantes y explique cómo el polen llega a fecundar al óvulo en el ovario de la flor. Lea la sección CONCEPTOS CLAVES. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Lenguaje Pida a los estudiantes trabajar en equipos de cuatro y que redacten tres preguntas para entrevistar a sus familiares en casa sobre las flores. Revise que las preguntas estén bien redactadas. El siguiente día, permita que los estudiantes hagan pequeñas exposiciones por equipo de la información que han obtenido en sus casas. Ejemplos de preguntas pueden ser: 1. ¿Qué plantas exóticas hay en la comunidad? 2. ¿Qué es hermafrodismo en las plantas? 3. ¿Para qué utilizan las flores las personas? 4. ¿Cuál es la importancia de los colores y olores para la polinización? ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN Mostrar a cada estudiante el dibujo de una planta y señalar el órgano sexual. Pedir a los estudiantes dibujar y explicar con sus palabras la polinización en la reproducción de las plantas.

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ACTIVIDAD DE REFUERZO Pida a sus estudiantes que individualmente dibujen en su cuaderno una flor y escriban un párrafo de cinco líneas explicando en sus propias palabras por qué se dice que la flor es el órgano reproductor de las plantas (Fig. 8). Permita que lean en tríos unos a otros el párrafo e identifiquen en qué ideas se parece cada párrafo y en cuáles son diferentes. Luego escriban de nuevo, a fin de construir un nuevo texto. Pida a voluntarios leer el párrafo reescrito a toda la clase.

Figura 8. Debido a los genes estás flores son parecidas a sus progenitoras y entre ellas mismas. A: Campanillas (Ipomoea sp). B: “Chula” (Balsamina sp.)

REFERENCIA 1. UNNE [s.f.] Botánica Morfológica. Morfología de plantas vasculares. Extraído en septiembre de 2010 desde http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/tema23-8zoofilia.htm

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¡Veamos qué hemos aprendido! Tarea: 1. Señale los órganos sexuales en esta flor:

2. Señale los pétalos, los sépalos, los estambres: 3. Dibuje y describa en el cuaderno el papel de las abejas en la polinización: MODO: Trabajo en pareja.

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Lección 10. Reproducción

de las plantas

artificial

DESCRIPCIÓN Es necesario profundizar en la reproducción artificial de las plantas. Que el estudiante descubra que hay plantas que se reproducen por medio de estacas como las rosas y geranios; por medio de hojas como las violetas, etc. Con este tema se fortalece la idea de cómo la intervención del ser humano en la vida de los seres vivos puede ser beneficioso para las especies y para el desarrollo del pensamiento. OBJETIVO ESPECÍFICOS 1. Descubrir que existen plantas que se reproducen por medio de estacas, injertos, yemas, hojas y raíces para mantener la vida de la especie.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Observa, experimenta y explica sobre algunas partes de plantas con las que se pueden reproducir. 2. Habilidad para formular y contestar preguntas.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Reproducción artificial de las plantas: Injertos, estacas, yemas, hojas, raíces 7 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

Figura 1. Germinación controlada de plántulas.

CONCEPTOS CLAVES Reproducción artificial en las plantas: Proceso de obtener plantas nuevas de manera no natural. Por ejemplo con injertos, estacas, yemas, hojas y raíces. Fecundación: Es la unión natural de los gametos masculinos (espermatozoide) y femeninos (óvulos) tanto en plantas como en animales. Reproducción asexual: Proceso de obtener especies nuevas sin la fecundación directa entre los gametos masculinos y femeninos.

Figura 2. La manipulación para que las plantas se reproduzcan ha sido una práctica común en el humano.

¿Qué debería saber usted sobre el tema? La reproducción artificial de las plantas Las plantas se reproducen naturalmente por medio de la polinización, en la que algunas veces participan agentes polinizadores como insectos, aire y agua. Pero también las plantas pueden reproducirse de manera artificial por medio de técnicas en las que interviene el ser humano (Fig. 2), entre ellas: los injertos, estacas, yemas, hojas y raíces. En la América precolombina, se sabe que los mayas, aztecas y quechuas realizaron cruces con distintas plantas, principalmente de maíz, chile y frijoles, obteniendo una diversa variedad de esas plantas. Por ejemplo: el maíz blanco, maíz morado, maíz amarillo, entre otros. En 1866 en Checoslovaquia, Gregor Johann Mendel en el jardín de un monasterio de Brunn, pasó casi treinta años cruzando distintas plantas y cuidando de que los insectos u otros polinizadores no pudieran polinizar a las plantas que estudiaba. Se sabe también que Mendel produjo un tipo de abeja para la producción de miel. Lo mismo hicieron los pueblos originarios de América. En la época Paleolítica, hace 3.5 millones de años, el hombre y la mujer primitivos, descubrieron que, al caer la semilla al suelo, surgía y crecía una planta. Por esa razón aprendieron a colectar frutas y semillas y a guardarlas. Con el surgimiento de la agricultura, el hombre primitivo dejó de ser nómada y pasó poco a poco al sedentarismo, y con él a la época neolítica. Generalmente los asentamientos eran a las orillas de los ríos, donde la tierra es fértil para la agricultura. En el museo del sitio arqueológico de Joya de Cerén, en La Libertad, El Salvador, se muestran diferentes mazorcas de maíz y se explica la forma como los nativos mayas obtuvieron distintas clases de mazorcas de maíz, por ejemplo, el maíz blanco, el maíz amarillo y el maíz morado. La reproducción artificial en las plantas es un tipo de reproducción asexual, porque no hay unión del gameto masculino con el femenino como sucede en la polinización natural de las flores. A continuación algunas técnicas agrícolas utilizadas por el ser humano: La estaca Esta técnica consiste en obtener una rama pequeña con brotes

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o yemas de la planta madre y sembrarla en la tierra, de la cual se producen raíces hasta convertirse en una nueva planta. El acodo Es una técnica que consiste en doblar el tallo sin cortarlo de la planta madre y enterrarlo para obtener raíces y una nueva planta. El esqueje Es la producción de plantas a partir de un fragmento de la planta. El injerto Es una técnica que consiste en tomar tejido de una planta y se inserta en otra, creciendo las dos como una sola planta (Fig. 3). Por ejemplo, la combinación de yemas de flores rojas con blancas para obtener flores rosadas. Algunas personas, especialmente en el comercio de plantas en los viveros, arrancan las hojas de algunas plantas como las violetas y las siembran para obtener una nueva planta. Ciertas plantas tienen raíces aéreas, éstas pueden sembrarse sin desprenderlas de la planta madre y de la raíz sembrada nace otra planta. Ahora bien, lo más común es sembrar las raíces para que nazcan y crezcan de ellas las nuevas plantas. La forma más conocida de reproducción artificial es utilizar las semillas en la agricultura y la producción de alimentos. Los alimentos llamados transgénicos provienen de la manipulación genética de la planta, que es un tema que estudiaremos más adelante.

Figura 3. Injerto de púas.

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Comentarios: Los Jardines flotantes

Figura 4. Chinamitl. A: Método de construcción del chinamitl. B y C: Actuales chinampas en México.

Los aztecas construyeron especies de balsas (canastos) (Fig. 4) y sobre ellas, colocaban tierra en la que sembraban semillas para producir plantas como maíz, frijoles, ayotes y flores. Este es un ejemplo del ingenio humano descubriendo que hasta en el agua se puede sembrar y producir belleza y alimentos. A esta técnica agrícola se le llama “chinampas”, del náhuatl chinamitl, seto o cerca de cañas. DESARROLLO DE LA LECCIÓN 1. Exploremos (Tiempo aproximado: 45 minutos) Orientar a los estudiantes a organizarse para conversar sobre las siguientes preguntas: 1. ¿De qué manera nacen las plantas? De acuerdo con la lección anterior, podrían responder que a través de semillas o esporas. Si los alumnos pertenecen al área rural, también podrían explicar que es cuando se siembran las semillas en la tierra como sucede con el frijol y el maíz. 2. Los pueblos originarios de El Salvador eran sociedades agrícolas cuyos principales cultivos eran el maíz, frijoles y cacao. ¿Conoce algunas creencias o costumbres que represente cómo nuestros antepasados veían las plantas?

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Oriéntelos con ejemplos y pida que hagan dibujos de esas creencias. Probablemente los estudiantes dibujen plantas antropomórficas, es decir, mediante gestos humanos. Recuerden la celebración del día de la Cruz, día de las flores y las palmas, etc. 3. ¿Se puede controlar el nacimiento de una planta? ¿Cómo lo haríamos? Organice una plenaria, permitiendo que los estudiantes respondan y expliquen las preguntas. Recuérdeles cómo se realiza la polinización en las plantas para reproducirse de forma natural. 3. Lo que sabemos de las papas y las cebollas (Tiempo aproximado: 45 minutos) Organice a los estudiantes en grupos de cuatro. Muéstreles una papa y una cebolla y pregúnteles:

Historia de la Ciencia y de la Tecnología De manera simultánea mientras en occidente se desarrollaba la cultura griega, al otro lado del mundo, hace más de 2400 años, la cultura maya se expandía desde México hasta Centroamérica. Tikal, el Tazumal y Copán son pruebas de su presencia. Los mayas no sólo cultivaban maíz, frijol, chile, yuca, tomates, aguacates y otras plantas nativas, sino que las cruzaron para obtener híbridos. Ejemplo de esto son los distintos colores de maíz (Fig. 5). Similares experimentos realizó Gregorio Mendel, en su tiempo, con las plantas en el jardín de su monasterio.

1. ¿Cómo nacen las papas y las cebollas? 2. ¿Qué nos gustaría saber de las papas y de las cebollas? Probablemente digan que las papas al sembrarse en el suelo, pasado unos cuantos días, nacen como plántulas y al desenterrarle las raíces se pueden encontrar otras papas (Fig. 6).

Figura 6. La papa (Solanum tuberosum) es un tallo subterráneo (tubérculo) con yemas o brotes que por gemación reproducen mitóticamente los núcleos de las células hasta formar una nueva planta. A y B. Brote de las yemas. C. Tubérculos.

Pregúnteles: ¿Qué sucedería si cortamos la papa en trozos, nacerá la planta o necesitaría sembrar la papa entera en la tierra? Permítales que conversen. Que cada uno escriba en su cuaderno una explicación y la comparta con sus compañeros de equipo.

Figura 5. Algunas de las variedades del maíz (Zea mays). Esta planta se cultivó y comercializó hasta constituirse en el principal cereal de las civilizaciones originarias de América. Actualmente es utilizado incluso para fabricar combustibles y plásticos biodegradables.

4. Comprobemos lo que pensamos (Tiempo aproximado: 45 minutos) Oriente a sus estudiantes a llenar dos cajas de cartón u otro recipiente con tierra negra. Abra unos agujeros en la tapadera de la caja. Enterrar en una caja unas papas enteras (Fig. 8) y en la otra caja, trozos de papa. Después cubrir la caja con la tapadera. Pídales que durante 20 días humedezcan la tierra y observen lo que sucede ¿A los cuantos días le nacieron brotes? (15 a 20) ¿En cuál de las muestras nace la planta?

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Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente El cuentista salvadoreño Salvador Salazar Arrué escribió el libro Catleya Luna en la que cuenta sucesos de la matanza y exterminio de indígenas en 1932. Lo curioso es la intención de S. Salarrúe al utilizar en el título de su libro el término: Catleya Luna. La Cattleya es una orquídea con flores blancas, anaranjadas o moradas. La Cattleya de color blanco simboliza el duelo y el dolor en la obra. Mientras que en Taiwán, la Cattleya es considerada una de las orquídeas más hermosas dentro de las 20 mil clases de flores exportadas, obteniéndose divisas de hasta $100 millones de dólares. Dos ejemplos de cómo aplicar el conocimiento de las flores.

Figura 8. Caja con papas. Si hay yemas, ambas muestras van reproducirse.

5. Rosas y violetas (Tiempo aproximado: 45 minutos) Pida a los estudiantes cortar tallos maduros de rosa (color café) de tal forma que el extremo inferior tenga un corte afilado transversal. Que observen si nacen y crecen las plantas. Pida a los estudiantes cortar una hoja de una planta de violeta (Viola odorata), sembrar la hoja en una maceta dejando el 50% bajo tierra húmeda. Observe a los cuantos días nace y crece la planta. Hacer lo mismo con la planta llamada “mala madre”. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Lenguaje, agricultura y medio ambiente Lea lo siguiente a los estudiantes: Manuel ayuda a su abuelita Emma a sembrar en unas macetas unos geranios y unas rosas. Pregunte: ¿Qué debe hacer para que nazcan y crezcan las plantas? Manuel tiene dudas, explícale qué debe hacer con la abuela Emma para que todo les salga bien con sus plantas. ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN

Figura 7. Las flores de las orquídeas del género Cattleya son muy variadas. En la fotografía se presenta a la C. aurantiaca, una especie nativa, pero poco común de El Salvador.

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1. Presentar a los estudiantes una planta de rosa, un geranio, un clavel, una papa y una cebolla y pedirles que expliquen las maneras de reproducirse de cada uno de ellas. 2. Pedir a los estudiantes traer de casa o de la comunidad ejemplos de plantas que se reproducen por estacas, yemas, hojas y raíces.

Charles Darwin creció en la ciudad de Shrewsbury, Oeste de Inglaterra. Sus ideas fueron influenciadas por los agricultores, los horticultores, los criadores de ganado y otros animales, quienes domesticaban animales y plantas con selección artificial para obtener variedad de especies.

ACTIVIDAD DE REFUERZO Que escriban en sus cuadernos la siguiente pregunta: ¿Cómo pueden reproducirse las plantas sin semillas? Escriban dos explicaciones en el cuaderno. Luego las comparten con la clase.

REFERENCIAS 1. Biblioteca digital [s.f.] El hombre creador de especies. Extraído en noviembre de 2010 desde http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/070/htm/sec_12.htm 2. Biogeo Magallanes [s.f.] Reproducción artificial de las plantas. Extraído en noviembre de 2010 desde http://biogeodemagallanes.wikispaces.com/2.3.2.+Reproducci%C3%B3n+artificial+de +las+plantas 3. Museo del Templo Mayor [s.f.] Instituto Nacional de Antropología e Historia, México. 4. Seminario #8, Centro Histórico, Cuauhtémoc, México, D.F. 06060. Extraído en noviembre de 2010 desde http://archaeology.asu.edu/tm/Pages/mtm60.htm

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¡Veamos qué hemos aprendido! Proyecto experimental: • Llena dos cajas de cartón con tierra negra y numéralas como 1 y 2. • Abre unos agujeros en la tapadera de cada caja. • Entierra en la caja 1 unas papas enteras y en la caja 2, trozos de papa. • Humedezcan la tierra. • Cubre las cajas con la tapadera. • Observa por varios días y contesta: ¿A los cuantos días le nacieron brotes? • ¿En cuál de las muestras nace la planta? • Explica: ¿Por qué? MODO: Trabajo en equipo de tres estudiantes.

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Lección 11. Condiciones

para el crecimiento de las plantas

DESCRIPCIÓN En esta lección el niño y la niña descubren que las plantas necesitan ciertas condiciones para nacer y crecer. También toman conciencia que las plantas como todos los demás seres vivos tienen necesidades biológicas y que el ser humano tiene la responsabilidad de protegerlas y crear condiciones para su sobrevivencia. OBJETIVO ESPECÍFICO 1. Explicar cómo el agua, la luz, el sustrato y la temperatura inciden en el nacimiento y crecimiento de una planta.

8 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Hacer observaciones y explicar procesos sobre cómo nace y crece una planta. 2. Habilidad para formular preguntas o plantear problemas. 3. Manipulación de una variable y relacionarla con el proceso de crecimiento de una planta.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. Condiciones para que crezca una planta: agua, luz, tierra, temperatura.

Figura 1. Plántulas de frijol (Phaseolus vulgaris).

CONCEPTOS CLAVES Fotosíntesis: Es un proceso químico que realizan las plantas en todas sus partes verdes que consiste en conformar compuestos orgánicos como el azúcar a partir del agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2). La luz es vital para este proceso y como consecuencia para el crecimiento mismo de la planta.

¿Qué debería usted saber sobre el tema? Condiciones para que crezca una planta Para que una planta pueda nacer y crecer adecuadamente, necesita de agua, luz, suelo y temperatura. Estas condiciones pueden ser manipuladas o controladas por el ser humano para que las plantas puedan no sólo fecundarse durante la polinización sino también para controlar su crecimiento y producción. Recordemos que en la fecundación el gameto masculino se introduce en el femenino para dar lugar a un cigoto de donde se origina un embrión protegido por la semilla. Cuando se inicia el proceso de crecimiento del embrión se inicia la germinación (Fig. 2).

Fecundación: Es la unión del gameto masculino al introducirse en el femenino para dar lugar a un cigoto de donde se origina un embrión. En plantas angiospermas éste está protegido en la semilla.

Figura 2. Germinación de un grano de maíz (Zea mays).

El poder controlar las condiciones naturales de este proceso de germinación puede permitir la producción y crecimiento de una planta. La temperatura crea condiciones adecuadas para el crecimiento de las plantas. Se considera que 21ºC es ideal para que las plantas tropicales crezcan y se reproduzcan adecuadamente. En cambio debajo de 12ºC es un límite peligroso y la planta puede morir. La fotosíntesis es un proceso químico que realizan las plantas en todas sus partes verdes, por lo que la luz es vital para este proceso y el crecimiento mismo de la planta. De acuerdo con la especie de planta, existen plantas de luz y 118

de sombra (donde no les da directamente la luz solar). La necesidad de luz varía de una planta a otra. Por ejemplo, las violetas (Viola odorata) necesitan poca luz. En cambio, otras plantas como la “chula” (Impatients balsamina), el geranio (Pelargonium sp.), la rosa (Rosa sp.) y algunas orquídeas necesitan más luz. Generalmente, los árboles frutales y los pastos necesitan de abundante radiación solar. Hay plantas que hibernan a bajas temperaturas. Por ejemplo, el cactus disminuye bajo los 5ºC sus procesos vitales. Lo mismo sucede con los pinos en el hemisferio norte, que disminuyen sus procesos metabólicos mientras pasa el invierno. Un hecho importante es que en estos casos de hibernación, la planta necesita menos agua y no es necesario regarlas, pues el agua es la responsable de reactivar los procesos metabólicos y del crecimiento en los embriones de las semillas. Por otro lado, a las plantas que necesitan de mucha luz se les colocan reflectores o lámparas para suplir artificialmente sus requerimientos. Éstas deben estar ubicadas a medio metro ó 75 centímetros de distancia por encima de la planta para no quemarla. Asimismo, se puede manipular tanto la disposición, como la dirección de la luz artificial a algunas partes de la planta cuyo crecimiento se desea estimular. Otra manera de controlar el crecimiento de las plantas es con el uso de abono químico u orgánico que se estudiará en otras lecciones junto al compostaje. Pocas veces advertimos es que las plantas de Sol (Fig. 3) por su origen climático son las que necesitan poca humedad. En cambio las plantas de sombra sí necesitan retener humedad. Con este conocimiento, los vendedores de plantas ornamentales venden la maceta en recipientes que almacenan agua. En cambio, a las plantas de Sol, como las violetas, las venden en troncos de árboles o trozos de roca.

Figura 3. macetas para plantas de Sol y de sombra respectivamente.

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Comentarios

DESARROLLO DE LA LECCIÓN

En la Actividad 2, pregunta 1, los estudiantes pueden responder que las plantas nacen de la semilla al caer al suelo y que hay plantas que nacen de otras partes de la planta, por ejemplo las estacas, las hojas y las raíces. En cambio, a la pregunta 2, pueden responder que necesitan agua, abono, luz y tierra.

1. Lo que sabemos sobre cómo nacen y crecen las plantas (Tiempo aproximado 30 minutos) Organizarse a los estudiantes en equipos de cuatro miembros. Pídales conversar y contestar las siguientes preguntas en sus cuadernos: 1. ¿Cómo nacen y crecen las plantas? 2. ¿Qué necesitan las plantas para crecer?

¿Sabías que... Las plantas de sombra no producen flores vistosas de colores, sino flores pequeñas. En cambio, las plantas de sol producen flores de muchos colores con distintos tonos y texturas debido a la intensidad de luz solar que reciben y la variedad de sus pigmentos.

Oriente una pequeña plenaria permitiendo a los estudiantes dar a conocer sus respuestas. 2. Plantas de sol o de sombra (Tiempo aproximado: 45 minutos) Pida a los estudiantes debatir y explicar la siguiente pregunta: ¿El tomate es una planta de sol o de sombra? ¿Cómo podemos demostrarlo? Puede orientar a los estudiantes, si lo necesita, para preparar un germinador manipulando intencionalmente la variable luz. Pídales que observen cada dos días lo que sucede durante 8 días colocando una planta de tomate (Fig. 4) en la luz y otra en la sombra.

Figura 4. Planta de tomate (Lycopersicon esculentum)

3. Más plantas de sSol o de sombra (Tiempo aproximado: 45 minutos) Organice seis grupos de estudiantes y pídales que escriban un listado de plantas de Sol y de sombra que conocen.

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Historia de la Ciencia y de la Tecnología El Parque Jardín Botánico La Laguna (Fig. 5) está ubicado en el cráter de un volcán de Antiguo Cuscatlán que en el siglo XVIII hizo erupción convirtiéndose en un pantano; luego, se drenó por un terremoto en 1873, dando lugar a un bosque. Los propietarios originales trajeron árboles de otras partes del mundo. En los años 70 se convierte en Patrimonio Cultural, y ahora está en manos de la Asociación Jardín de la Laguna cuyo principal objetivo ha sido la investigación, la conservación y la divulgación científica de las plantas.

Para afianzar este conocimiento pídales que entrevisten a otros niños y niñas de la escuela. Pueden ir a otros grados y pedir permiso a los profesores para entrevistar al menos a un estudiante de distinto grado. Organice una plenaria. 4. Húmedas o secas (Tiempo aproximado: 45 minutos) Pida a los estudiantes debatir y explicar la siguiente pregunta: ¿Todas las plantas necesitan agua para crecer? ¿Cómo podemos demostrarlo? Orientar a los estudiantes a colocar dos plantas de la misma especie en dos macetas y a una de ellas, regarla con agua y a la otra no regarla ¿Qué sucederá con las plantas después de una semana? Permita que los estudiantes decidan el tipo de planta. La posible conclusión que se espera es que todas las plantas, como todo ser vivo, necesitan cierta cantidad de agua, incluso las orquídeas que necesitan mínimas cantidades de humedad, no así, por ejemplo, las plantas frutales. 5. Con abono y sin abono (Tiempo aproximado: 45 minutos) Pida a los estudiantes debatir y explicar: ¿Qué sucederá si a una planta le echamos abono y a otra no? ¿Qué materiales utilizaría? Orientar a los estudiantes a colocar dos plantas de la misma especie, una en una maceta y la otra en la otra maceta; a una de ellas, añadirle abono según las indicaciones del recipiente que lo contiene y agua; a la otra sólo agregar agua: ¿Qué sucederá con las plantas después de un tiempo? Se espera que la planta con abono crezca más rápido que la otra planta. Se debe tener cuidado de no ponerle demasiado abono debido que los químicos pueden dañar la planta y matarla. Pedir a los estudiantes debatir si conocen alguna manera de producir abono orgánico. Permítales que expongan de manera teórica y con dibujos las respuestas.

Figura 5. Jardín botánico La Laguna.

6. En tierra (Tiempo aproximado: 45 minutos) Pida a los estudiantes debatir y explicar las siguientes preguntas: ¿Qué sucederá si sembramos una planta en distintos tipos de tierra? ¿Qué pasará si sembramos un geranio en tierra negra y otro en arena?

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Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente En El Salvador hay muchos comercios donde se venden plantas, generalmente ornamentales. Estas tiendas se hicieron más populares a inicios de los años 90´como una alternativa económica luego de la guerra civil. Poco a poco estas tiendas han ido extendiendo sus servicios, por ejemplo, pueden hacer trabajos de jardineras o dar mantenimiento a jardines de algunas casas, especialmente en la capital San Salvador. Esto demuestra que el conocimiento de las condiciones en que crecen las plantas es una alternativa socioeconómica para impulsar el desarrollo.

Permita que preparen un germinador manipulando intencionalmente las variables suelo y agua. En la tierra negra hay mayor cantidad de materia orgánica y por tanto mayor disponibilidad de minerales que la arena, que además no retiene el agua. Al discutir los resultados, destacar la importancia del tipo de suelo en la nutrición de la planta que toma los nutrientes del tipo del suelo. Por ejemplo, la molécula de clorofila contiene magnesio (Mg) que la planta obtiene del suelo o sustrato. ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Arte y comercio Pida a los estudiantes traer depósitos plásticos, de vidrio, madera o aluminio que puedan convertir y reusarse como macetas (Fig. 6). Cada estudiante, usando acuarelas, decora de manera creativa el depósito. Primero lo limpian y dejan secar la superficie. Luego decoran con la pintura. Finalmente cubrir el decorado con laca u otro sellador para que la pintura quede fija y un poco más permanente.

Figura 6. Macetas recicladas y decoradas.

ACTIVIDAD DE EVALUACIÓN En equipos de cuatro estudiantes que dibujen carteles explicando cómo el agua, la luz, la tierra y la temperatura inciden en el nacimiento y crecimiento de una planta. Puede asignar a cada grupo solo una de las variables. Por ejemplo, equipo uno: agua; 122

equipo dos: luz y temperatura, equipo tres: tierra y equipo cuatro: abono. ACTIVIDAD DE REFUERZO Pedir a los estudiantes planificar la elaboración de un semillero de una planta que ellos elijan. Por ejemplo, un equipo hace una chilera, otro un frijolar, otro una tomatera, etc. Permita que los estudiantes discutan y se pongan de acuerdo en el tipo de proyecto agrícola que realizarán. Oriénteles para que no olviden las variables a manipular (Fig. 7) como condiciones necesarias para que crezcan las plantas: agua, luz, temperatura, tierra.

Figura 7. La tierra, el agua, la luz y el calor son indispensables para que germine y crezca una planta.

REFERENCIAS 1. AKI [2007] Cuidar las plantas. Briconsejos. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www. aki.es/downloads/bricoficha36 2. Asociación Jardín de La Laguna [s.f.] Jardín botánico. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www.bgbm.fu-berlin.de/lagu/jardinbotanico.htm 3. Corte Suprema de Justicia de El Salvador [s.f.] Ley Especial de Protección al Patrimonio Cultural de El Salvador. Centro de Documentación Judicial. 4. Servicio Nacional de Estudios Territoriales. [s.f.] Cronología de Erupciones, volcán de Izalco. SNET. Extraído en noviembre de 2010 desde http://www.snet.gob.sv/Geologia/Vulcanologia/ historial.php?id_volcan=18

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¡Veamos qué hemos aprendido! Tarea: PROYECTO DE CONSTRUIR UN GERMINADOR Tipo de suelo • En dos vasos pequeños transparentes colocar en uno de ellos tierra y en otro arena • Sembrar cuatro semillas de frijol en el vaso con arena y otras cuatro en el vaso con tierra negra. • Humedecer y observar qué sucede a los 10 días. • Explicar: ¿Por qué crees que germina con más facilidad las semillas de frijol en tierra negra que en la arena? Seco y húmedo 1. En dos vasos pequeños transparentes colocar tierra negra. 2. Sembrar cuatro semillas de frijol en cada vaso. 3. Rotular cada vaso así: con agua y sin agua. Humedecer la tierra rotulado “con agua”. 4. Colocarlos en un lugar fresco y seguro. 5. Observa por 10 días los dos vasos y humedecer el vaso rotulado “con agua” pero sin regar el vaso rotulado “sin agua”. Responde: ¿Qué variables has manipulado intencionalmente? Explica: ¿Qué sucede con la planta con agua y la sin agua?

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Lección 12

3 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

La hidrosfera

OBJETIVOS ESPECIFÍCOS 1. Identificar la importancia y limitantes de los recursos hídricos de la Tierra. 2. Reconocer las partes que integran el ciclo del agua; es decir, la evaporación, la condensación y la precipitación.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Es conciente de la cantidad de agua dulce existente en la Tierra. 2. Diferencia los procesos de evaporación, la condensación y la precipitación. 3. Modela el proceso de filtración del agua.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. La hidrósfera 2. El ciclo hidrogeológico Figura 1. Los océanos constituyen el 75% de la superficie corteza y constituye el 97.2% del volumen del total del agua existente en la Tierra.

DESCRIPCIÓN En esta lección se busca concientizar a los estudiantes acerca de la importancia de los recursos hídricos de la Tierra, desarrollando el tema del ciclo hidrogeológico a través de la identificación de los estados físicos del agua. Con esto se pretende motivar a los estudiantes el cuido de ese vital líquido. También se estudia la importancia de la forestación como forma de ayuda para el proceso de filtración del agua.

CONCEPTOS CLAVES Hidroósfera: Es la masa de agua que cubre las depresiones de la corteza terrestre, como océanos, mares, ríos y lagos. Ocupan más del 70% de la superficie del planeta (Fig. 3).

Figura 3. Planeta Tierra.

Océano: Las grandes masas de agua que separa los continentes.

¿Qué debería usted saber sobre el tema? La hidrosfera La hidrosfera es una de las capas fluidas de agua que envuelven la Tierra. Está formada por agua líquida, hielo como sólido, y nubes como gas. El vapor de agua está en equilibrio con los depósitos superficiales y atmosféricos de la hidrosfera. El agua contribuye a regular el clima del planeta por su gran capacidad de almacenar energía, modela su superficie con los efectos de los agentes geológicos, diluye los contaminantes y es esencial para los seres vivos. Constituye un recurso imprescindible para la agricultura, la industria, La generación de energía eléctrica, transporte, higiene, etc. El agua cubre casi las tres cuartas partes de la superficie de nuestro planeta. Los principales depósitos de agua son los océanos con 1,322 millones de km3 (97.2% del volumen total); los 3 glaciares tienen 29.2 millones de km (2.2%); las aguas subte3 rráneas poseen 8.4 millones de km (0.6%); los ríos y lagos al3 macenan 0.2 millones de km (0.002%); y la atmósfera contiene 3 0.01 millones de km (0.001%) (Fig. 2).

Mar: Son ciertas zonas cercanas a las costas, ubicados casi siempre en la plataforma continental. Además, tiene profundidades pequeñas, que por razones históricas o culturales tienen nombre propio (Fig. 4). Figura 2. Distribución del volumen de agua que constituye la hidrosfera.

Figura 4. Los porcentajes de los diferentes océanos.

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La cantidad de agua dulce que consume una persona anualmente oscila entre 900 m3 en una sociedad agrícola y 1500 m3 en una sociedad industrial, por tanto, los 5000 millones de habitantes de 3 la Tierra necesitan aproximadamente 7,5 billones de m por año.

Ciclo del agua: Es el proceso que describe el movimiento y la ubicación del agua en el planeta. Es el proceso donde las partículas de agua que se evaporan de los cuerpos de agua vuelven a ellos después de pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía subterránea. Evaporación: Es el proceso por el cual una sustancia líquida pasa al estado gaseoso, tras adquirir la energía suficiente para lograr imponerse a la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, este proceso puede generarse a cualquier temperatura (Fig. 5).

Figura 5. La radiación solar evapora el agua en estado líquido.

El humano usa fundamentalmente el agua dulce que representa sólo una pequeña parte de la hidrosfera de la cual consigue captar una ínfima parte para diversos usos. La obtiene sobre todo de la escorrentía superficial y de los lagos y en menor medida de los acuíferos subterráneos. Ciclo hidrogeológico Los varios depósitos de la hidrosfera están conectados. El agua fluye de unos a otros configurando un ciclo cerrado llamado ciclo hidrológico o ciclo del agua, movido por la energía solar y la energía dependiente de la posición ocupada en el campo gravitatorio. El calor del Sol provoca la evaporación del agua y la transpiración o evapotranspiración de los seres vivos. El vapor de agua asciende y se enfría en capas altas de la atmósfera, se condensa y forma nubes (emulsiones de agua y hielo). Las nubes se trasladan y dan origen a precipitaciones de lluvia, granizo o nieve. Parte del agua de las precipitaciones es devuelta hacia los mares directamente o mediante la escorrentía superficial (ríos, torrentes, etc.). Otra parte es filtrada en el terreno constituyendo las aguas subterráneas que irán hacia los océanos, pero más lentamente. Las aguas subterráneas son escorrentías subterráneas que alimentan los ríos y lagos que terminan en el océano, como también a grandes depósitos de agua denominados mantos acuíferos. Son fundamentales para la extracción de agua consumible para el ser humano, por lo que es importante tener zonas verdes sobre los acuíferos que permitan al suelo absorber el agua. DESARROLLO DE LECCIÓN 1. ¿Cuánta agua es bebible? (Tiempo aproximado: 15 minutos) Esta actividad demuestra que de la cantidad de agua que el planeta posee, como el agua dulce, sólo una parte puede ser consumible por el ser humano. Formar grupos de tres estudiantes. Materiales: • 1 botella de plástico de 1 L con agua • 2 envases o probetas de 50 mL aproximadamente • Sal

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Condensación: Ocurre cuando una masa de aire cálido y húmedo se eleva a la atmósfera y halla capas de aire más frío convirtiendo el vapor al estado líquido.

Figura 6. La lluvia es el resultado de la condensación del agua.

Precipitación: Cualquier hidrometeoro que cae desde el cielo y llega a la superficie terrestre. Este fenómeno incluye la lluvia (Fig. 6), la llovizna, nieve, granizo. La neblina y el rocío son formas de condensación y no de precipitación.

Procedimiento: 1. Mida 28 mL de agua proveniente de la botella de plástico de 1 L hacia la probeta. Esto representará la cantidad total de agua dulce existente en la Tierra. 2. Agregue sal al agua que sobra de la botella de 1 L. 3. De los 28 mL de agua se extraerán 7 mL. Esto representará la cantidad de agua dulce que no está en forma de glaciar. Deben comparar las cantidades de agua que tiene cada contenedor de agua para dibujar lo observado en el cuaderno. 4. Pregunte si esta es toda el agua del mundo, ¿cuánta agua dulce existe comparada con la cantidad de agua salada? El agua dulce es muy poca comparado con el agua salada. ¿Cuánta agua dulce que no está en forma de glaciar existe en relación con la cantidad de agua salada? Bien poca, comparando el depósito de 7 mL de agua con el primer depósito. De esa agua poca cantidad es potable dado que la mayor parte es superficial, es decir, que está expuesta a contaminarse o está contaminada. ¿Se tendrá acceso totalmente a esa cantidad de agua? Esa agua se halla en acuíferos subterráneos, los cuales son difíciles poder extraer. Enfatizar: El recurso hídrico consumible es muy escaso y debe cuidarse, no malgastando el agua. 2. El Ciclo del agua (Tiempo aproximado: 45 minutos) Esta actividad explica de forma cualitativa el ciclo del agua. En grupos de trabajo de tres alumnos generarán un sistema que permita observar las diferentes etapas del ciclo del agua: la evaporación, condensación y precipitación (Fig. 9). Materiales: • 1 sartén de Aluminio • Agua • Hielo • 1 jarro o vaso transparente • 1 bolsa transparente tipo Ziploc® o utilizar una bolsa plástica sellada con cinta adhesiva. Procedimiento: 1. Vierta agua hasta la mitad del sartén de aluminio y vierta otra medida igual de agua en un vaso de vidrio. 2. Coloque el vaso dentro de la bolsa (asegurése de sellarla bien). Luego, coloque este vaso en el centro del sartén.

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La cantidad de agua que se ha precipitado sobre un punto de la superficie terrestre se denomina monto pluviométrico o pluviosidad.

Figura 7. La lluvia se acumula en suelos deforestados ya que no pueden absorberla.

Acuífero: Es una capa de agua que se almacena bajo la superficie de la Tierra. Para que esto ocurra debe tener ciertas características, la primordial es que la capa inferior deberá ser impermeable, denominada muro y a partir de aquí el agua se acumula. La altura que alcanza el agua es el nivel freático (Fig. 8).

Pregunte: ¿Qué creen que sucederá si se coloca este sistema en un lugar en el que se reciba luz solar? Establezcan hipótesis y escribirlas en el cuaderno; dibujar el sistema. 3. Coloque el sistema en un lugar donde exista bastante luz solar y deja reposar por un par de horas. Regrese a observar los cambios que han sucedido en el sistema. Pregunte: ¿Qué le pasó al agua? Se ha evaporado ¿Qué causó que el agua se convirtiera de esa forma? La energía irradiada por el Sol. ¿Habrá la misma cantidad de agua en la bolsa que en el inicio? No, pero dependerá de que tanta radiación solar haya recibido. Dibuja y describe los cambios sucedidos. 4. Preguntar: ¿Qué sucederá al colocar los cubos de hielo encima de la bolsa? Permita a los estudiantes opinar y discutirlo. Coloca unos cubos de hielo sobre la bolsa para provocar la condensación, debido al flujo de calor entre el vapor dentro de la bolsa hacia el hielo derritiéndolo y haciendo que el vapor se condense en gotas de agua. Deberán observar cómo el vapor se vuelve a convertir en líquido; que registren el fenómeno en el cuaderno. Preguntar: ¿Dónde han observado un fenómeno parecido a este? Como la bolsa se empaña este simula ser las nubes. ¿A qué parecen las gotas que caen? Se está simulando la lluvia. Enfatizar: El Sol es la fuente fundamental de energía que permite que el ciclo se active. En cada proceso del ciclo del agua ciertas cantidades de agua se evaporan de los ríos, lagos y los océanos y llegan a la atmósfera, condensándose en nubes y, al acumularse suficiente vapor de agua, se convierte en lluvia que cae hacia la Tierra. ¿Qué sucede cuando el agua cae al suelo? Esta es una pregunta motivadora para la siguiente actividad. 3. El proceso de filtración (Tiempo aproximado: 45 minutos) Esta actividad consiste en simular el proceso de filtración de agua y la generación de agua subterránea (acuíferos). Se observará como los suelos permiten al agua penetrar y la velocidad a la cual se realiza el fenómeno. Formar equipos de cuatro estudiantes y repartirles los materiales que necesitarán.

Figura 8. Los acuíferos logran acumular agua.

Materiales: • 1 botella plástica transparentede de 1 L cortado a la mitad • Tierra barrosa (arcillosa), grava, arena, tierra negra • 1 regadera manual de jardín • Agua (cantidad necesaria)

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Figura 9. Cuadro resumen de los procesos que conlleva el ciclo del agua.

Procedimiento: 1. En la botella plástica transparente coloca una capa de suelo barroso o arcilloso y compáctalo. 2. Colocar en orden y sin compactar: una capa de grava, una capa de arena y una capa de tierra negra. Se debe asegurar que todas las capas se distingan y estén definidas dentro del recipiente transparente. 3. Con una regadera manual de jardín agregar agua dejando la capa de tierra negra empapada, ya que esta simulará la lluvia. Preguntar: ¿Qué sucederá con el agua que ha caído en el suelo de tierra negra? El agua moja el medio y penetra a la próxima capa ¿Qué sucederá con el agua cuando llegue a la capa de arena? También humedece y penetra. ¿Qué sucederá con el agua cuando llegue a la capa de grava? El agua llena los espacios vacíos y los traspasa ¿Cuándo llega a la capa de barro? El agua no penetra y es lo que causa que se acumule el agua en los espacios vacíos de la capa de grava. ¿En cuál de las capas penetra el agua de manera más rápida? En la grava se hace más rápido, seguido de la arena, tierra negra y la arcilla, que no permite la filtración. 4. Inclina el recipiente 45° ¿Qué observan con el agua? Que el agua se acumula, lo que permitiría definir un acuífero. Que observen el proceso de filtración y cómo se acumula en los depósitos vacíos. Deberá hacer sus anotaciones o dibujos en su cuaderno (Fig. 10). Fig. 10. Modelo de filtro.

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5. Que reflexionen sobre lo observado y notar que el agua no fluye a través de todas las capas. Preguntar: ¿Cuál capa es la que no filtra el agua? Arcilla o barro. ¿Cuál capa filtra más rápido? La grava. ¿Qué ocurriría si el agua fuera derramada sobre concreto o cemento? No ocurriera los procesos de filtración. ¿Qué debemos hacer para no impedir los procesos de filtración? Lo fundamental es que haya más zonas verdes donde se pueda filtrar el agua y así producir más recursos hídricos subterráneos, dado que las grandes ciudades debido al exceso de construcciones con concreto y cemento, no permiten el proceso de filtración. 4. Evaluación (Tiempo aproximado: 30 minutos) Resuelve el siguiente cuestionario: 1. ¿Existe más agua o suelo en nuestro planeta Tierra? 2. ¿De toda la cantidad de agua existente en la Tierra, es bastante o poca la cantidad de agua que el ser humano puede consumir? 3. Nombrar en la Figura 11 los diferentes procesos del agua. 4. Usando la Figura 11 de los estados de agua responde estas preguntas: • ¿Dónde se produce la evaporación? • ¿Cuál es la diferencia entre evaporación y condensación? • ¿Qué fenómeno continúa después de la condensación? • ¿Adónde se precipita el agua? 5. Explica con tus propias palabras las siguientes peguntas: • ¿Qué sucede con el agua de lluvia cuando cae sobre el cemento? • ¿Qué sucede con el agua de lluvia que cae sobre tierra negra? • Explica con tus palabras en qué consiste el proceso de filtración. • Si el agua que se evapora en el inicio de ciclo es contaminada, ¿estará el agua lluvia contaminada también?

Figura 11. Ciclo del agua sin los pasos del proceso identificados.

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REFERENCIAS 1. Astrociencia.com [s.f.] Aguas Subterráneas. México. Extraído en octubre de 2010 desde http:// www.astromia.com/tierraluna/aguasubterraneas.htm 2. García, V. [s.f.] El Agua en Primaria. España. Extraído en diciembre de 2010 http://mimosa. pntic.mec.es/~vgarci14/agua_potable.htm 3. Tarbuck E. [2007] Ciencias de la Tierra. Una Introducción a la Geología Física”, 6ª Edición. España: Pretince Hall.. 4. Thomson and Turk [2004] Introduction to Physical Geology. Saunders Golden Sunburst. 5. USGS [s.f.] Ciclo Hidrogeológico. Estados Unidos. Extraído en octubre de 2010 desde http:// water.usgs.gov/gotita/earthgwaquifer.html

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¡Veamos qué hemos aprendido! 1. Colorea y sitúa el número correspondiente en los círculos:

1- Catarata. 2- Embalse. 3- Desembocadura. 4- Represa. 5- Nieve. 6- Río principal. 7- Pozo. 8- Nubes. 9- Mar. 2. Lectura: El agua existe en la Tierra en tres estados: sólido (hielo, nieve), líquido y gas (vapor de agua). Océanos, ríos, nubes y lluvia están en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra por la tierra, etc. Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta no cambia. La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo hidrológico o ciclo del agua. El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.

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Una parte del agua que llega a la tierra será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro poco del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea. Este proceso es la percolación. Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación. Al evaporarse, el agua deja atrás todos los elementos que la contaminan o la hacen no apta para beber (sales minerales, químicos, desechos). Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. Pero hay otro proceso que también purifica el agua, y es parte del ciclo: la transpiración de las plantas. Las raíces de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, movilizando consigo los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenómeno es la transpiración. • Lee con atención el texto y subraya lo que consideres más importante. • Elabora un esquema con los conceptos claves. • Escribe el resumen del texto usando tus propias palabras aprovechando las ideas del texto.

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Lección 13

Fenomenos atmosféricos: huracanes y ciclones

5 HORAS CLASE APROXIMADAMENTE

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Conocer las variables de estudio en la Meteorología. 2. Construir el equipo para medir la humedad y cantidad de lluvia. 3. Explicar el origen de las depresiones tropicales.

HABILIDADES Y DESTREZAS CIENTÍFICAS 1. Medir la cantidad de lluvia para determinar los niveles de riesgo que presenta. 2. Simula el movimiento rotatorio de Tornados y Huracanes.

TEMAS Y SUBTEMAS 1. La atmósfera 2. La meteorología 3. Ciclones Tropicales 4. Depresión tropical, tormenta tropical, huracanes y tifones

Figura 1. Imagen satelital del huracán Stan. Los huracanes se generan en diferentes etapas: primero pasa por una depresión tropical, luego, en una tormenta tropical que con las condiciones adecuadas se conviertan en huracanes.

DESCRIPCIÓN Nuestro planeta posee dos movimientos naturales: el de traslación, que es el recorrido que hace la Tierra alrededor del Sol y el movimiento de rotación que es un movimiento que realiza la Tierra sobre un eje imaginario que pasa por ambos polos. El movimiento de rotación es el encargado de que existan días y noches. Estos movimientos tienen influencia en la creación de las depresiones tropicales, las cuales han sido y son objeto de estudio de la meteorología. Por su importancia se estudian las distintas clases de depresiones que existen y sus etapas.

CONCEPTOS CLAVES

¿Qué debería usted saber sobre el tema?

Atmósfera: Proviene del griego aτaμός “atmos”: vapor y σφαῖρα “esfera”: esfera. Se nombra así a la mezcla de diversos gases que rodean cualquier objeto celeste, debido a sus fuerzas gravitatorias.

La atmósfera Algunos investigadores estiman que la atmósfera terrestre se formó a partir de reacciones químicas causadas por los gases condensados expulsados por volcanes cuyo proceso tardó aproximadamente 4.5 billones de años (4,500,000,000,000 años). La atmósfera no es uniforme y se divide en capas, que son: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera (Fig. 2).

Troposfera: Es una de las capas de la atmósfera. Es el área donde se concentra la mayor cantidad de moléculas gaseosas y es la que más influye en el clima terrestre.

Figura 3. La exosfera es la capa

Figura 2. La capas que constituyen la atmosfera terrestre.

más externa de la atmósfera y marca la transición hacia el espacio interplanetario.

• Exosfera: Es la capa que se encuentra a partir de los 500 km de altura desde el nivel del mar y está constituida en su mayor parte de vacío y de gases livianos como hidrógeno (H ) y el he2 lio (He). Es la región que exploran los satélites artificiales y no tiene la menor influencia sobre los fenómenos meteorológicos dado su poca concentración de moléculas gaseosas (Fig. 3). • Termosfera: Es conocida como Ionóosfera y posee un espesor aproximado de 420 km. Se encuentra debajo de la exosfera y posterior a la mesosfera a partir de 80 km de la superficie de la Tierra. Esta capa puede llegar a temperaturas alrededor de los 1200°C por su alta concentración de partículas ionizadas producidas por la radiación ultravioleta solar que interactúa con los elementos gaseosos que se encuentran en la capa (Fig. 4).

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Clima: Es el conjunto de valores promedios de condiciones atmosféricas que identifican una región. Meteorología: Proviene del griego μετέωρον: meteoro, el cual significa “alto en el cielo”; y λόγος: logos “ciencia”. Es una ciencia interdisciplinaria; principalmente, una rama de la Física de la atmósfera, que estudia el estado del clima, los fenómenos que se producen en la atmósfera y las leyes que los rigen. Fenómeno meteorológico: Representa los cambios del clima en la atmosfera de la Tierra. Hemisferio: En Cartografía y en Geografía de la Tierra, aunque este no es una esfera perfecta, se considera dividida en dos hemisferios, cada uno de ellos una mitad del globo (Fig. 5 y 6).

Figura 4. La aurora boreal es causada por el choque de las partículas cargadas energizadas por el campo magnético de la Tierra con el nitrógeno y oxígeno en la termósfera.

• Mesosfera: Es la capa más fría, sus temperaturas llegan hasta -100°C, debido a que no existe vapor de agua y la cantidad de gases disminuyen. Es esta donde los meteoros se deshacen cuando entran del espacio hacia la Tierra, usualmente denominamos lluvia de estrellas. Se encuentra desde los 50 hasta los 80 km sobre la superficie terrestre. • Estratosfera: Esta capa se estima que se encuentra desde los 10 hasta los 50 km sobre la superficie terrestre. Constituye el 24% estimado de la masa total de la atmósfera y es muy densa por la alta concentración de moléculas gaseosas. Una de las moléculas más importantes que posee es el ozono (O ) el 3 cual se encarga de filtrar y reflejar las radiaciones ultravioletas provenientes del Sol. Si esto no ocurriera el fitoplancton del océano se destruiría alterando la cadena alimenticia de la vida oceánica, con muy alta probabilidad de eliminarla. • Troposfera: Es la capa más cerca a la superficie terrestre. Tiene un estimado de 10 km de espesor y por su alta concentración de diferentes moléculas gaseosas constituye aproximadamente el 75% de la masa atmosférica, por lo que es en esta capa donde se genera es vida y todos los fenómenos climáticos. El estudio del constante movimiento de las moléculas y los cambios de estado del vapor de agua en la troposfera, ayudan a estudiar y comprender los fenómenos meteorológicos y climáticos que ocurren en la superficie terrestre.

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Para poder estudiar los cambios de los fenómenos climáticos, la Meteorología estudia variables como la presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, humedad relativa, radiación solar, precipitación y la temperatura. El estudio de estas variables requiere mediciones a través de instrumentos que permiten cuantificar y comparar dichos fenómenos. Para medir la presión atmosférica se usan diversos tipos de barómetros. Para medir la velocidad del viento se usa el anemómetro y para su dirección la Veleta; para la humedad relativa un higrómetro; para la radiación Figura 5. Esquema de la división de solar un piranómetro; para la temperatura un termómetro y para los hemisferios. la precipitación o lluvia un pluviómetro (Fig. 9A -9F). Todas estas variables son consecuencias de los diferentes y constantes movimientos de la atmósfera causados por la energía en forma de radiación proveniente del Sol. El Sol no irradia de manera uniforme a la Tierra debido al ángulo de inclinación, rotación y traslación de esta (Fig. 7). La mayor cantidad de energía se concentra en el ecuador debido a la radiación a casi 90°. Eso explica porque las zonas cercanas al ecuador son más cálidas que las zonas al norte o al sur del hemisferio.

Figura 6. Latitud es el ángulo formado entre el ecuador y otra línea paralela. Longitud es el ángulo entre el meridiano de Greenwich y otra línea paralela.

Presión atmosférica: Es la presión debida al peso del aire en la atmósfera. Su unidad es la atm (atmósfera) que es igual a la cantidad de peso que ejerce una columna de 760 mm de mercurio a nivel del mar a una latitud de 45° (Fig. 8). 138

Figura 7. Modelo de la radiación solar sobre la Tierra.

Figura 8. El barómetro es el instru-

Figura 9. A. Anemómetro, B. veleta, C. higrómetro electrónico, D. piranómetro,

mento que mide la columna de pre-

E. pluviómetro y F. barómetro de mercurio.

sión atmosférica.

Fuerza Coriolis: Es la fuerza producida por la rotación de la Tierra en el espacio, la cual tiende a desviar la trayectoria de los objetos que se desplazan en la superficie terrestre a la derecha sobre el hemisferio norte y a la izquierda, en el hemisferio sur (Fig. 10).

Figura 10. Esquema de la dirección de rotación, horario en el hemisferio norte y anti horario en el hemisferio sur.

Estas diferencias de temperaturas causadas por la radiación solar provocan el movimiento de grandes masas de aire desde zonas de mayor presión atmosférica hacia zonas de menor presión atmosférica, las cuales generan los cambios en el clima. Las masas de aire del Polo Norte son secas frías y muy densas y las masas de aire que pasan por el Caribe y el golfo de México son cálidas y húmedas, es decir, tienen una alta concentración de vapor de agua por haberse originado sobre los océanos. La región calentada más intensamente por el Sol genera un aire menos denso que se eleva, generando un área de baja presión (zona de calmas) el cual atrae aire desde el norte y sur hacia el ecuador. Luego, el aire ecuatorial asciende y se enfría perdiendo la mayor parte de su humedad, para caer a latitudes aproximadamente 30° (norte y sur) que sigue la célula o la celda Hadley, produciendo la mayoría de los grandes desiertos del mundo. Después, una parte de este aire vuelve a calentarse y absorber humedad, elevándose y viajando hasta aproximadamente una latitud de 60° (norte y sur); este es el denominado frente polar o conocido como célula o celda Ferrel, otra área de baja presión (Fig. 11). Un tercer cinturón, más débil, es denominado célula o celda Polar. Se eleva en el frente polar y desciende de nuevo en los polos, dando lugar a regiones en las cuales no hay precipitaciones.

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¿Sabías que… En nuestro país hay una temporada cuando se produce el fenómeno de las depresiones tropicales. Este período dura del 1 de junio -30 de noviembre, aunque tiene su mayor apogeo en los meses agosto -septiembre (Fig. 12).

Figura 11. Corrientes de convección de aire.

Figura 12. Observación satelital de la tormenta tropical Ida en noviembre de 2009.

Al huracán se le llama ciclón si es originado en la bahía de Bengala y en el océano Índico Norte, tifón, si se crea en el oeste del océano Índico (en países como Japón, Corea y China); Willy -Willy en Australia y Baguío en Filipinas. Esos nombres son equivalentes e indican el mismo tipo de sistema atmosférico.

El movimiento de rotación de la Tierra desvía los vientos que se originaron por estas transferencias de aire desde el Ecuador hacia los polos. Estas transferencias son impulsadas por la fuerza de Coriolis, del ecuador hacia el polo norte o viceversa, por lo que son corrientes que se comportan en sentido horario. Si se produce del ecuador hacia el sur o viceversa, se comportan en el sentido anti horario. Cuando chocan estas masas de aire se generan fenómenos climáticos de lluvias. Las masas de aire usualmente mantienen sus temperaturas, humedad y presión atmosférica, es decir, que no se mezclan demasiado, generando lo que se conoce como un frente. Esto sucede porque las masas de aire se mueven a distintas velocidades y por sus diferencias de densidad y presión. Generalmente la más veloz siempre empuja a la ligera, pero la masa que es menos densa y de menor presión (de aire caliente), siempre se eleva sobre la masa más densa y mayor presión (de aire frío) (Fig. 13 -15). Esto representa un frente de aire frío (Fig. 13) porque la masa de aire frío que viaja a una mayor velocidad, empuja abruptamente a la masa de aire caliente, elevándola, enfriándola y condensándola para generar precipitaciones que se convierten en tormentas eléctricas. Esto último depende de las diferencias de velocidades entre las masas.

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Figura 13. Un frente frío es una masa de aire frío que se desplaza a una mayor velocidad que el área de masa de aire cálido.

Un frente de aire cálido (Fig. 14) es una masa de aire caliente que se mueve hacia un área de aire frío. El aire cálido viaja lentamente y forma una pendiente muy pronunciada. A medida que se eleva el aire cálido, su humedad relativa aumenta, provocando la lenta condensación y la generación de lluvias moderadas.

Figura 14. Un frente cálido.

Un frente estacionario (Fig. 15) son las masas de aire con una diferencia muy marcada que no se mueven por lo que existe una pequeña mezcla entre la masa de aire cálido con la fria, causando que se generen nubes que al elevarse produzcen lloviznas, las cuales pueden durar mucho tiempo, dado que en el frente no existe mayor movimiento.

Figura 15. Un frente estacionario.

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Ciclones tropicales Un ciclón tropical es el término general utilizado para describir un fenómeno meteorológico. Este fenómeno se caracteriza por ser una columna de aire dentro de la cual encontramos una gran actividad de vientos y tormentas. Por encima del mismo hay un gran disco de nubes causado por las corrientes de convección encargadas del transporte de agua cálida de la superficie marina. Para la evaporación del agua marina es necesaria una temperatura en el ambiente igual o mayor de 27ºC lo que hace que los huracanes solo se desarrollen en zonas específicas del globo terráqueo y en épocas del año que son calurosas (Fig. 16).

Figura 16. Diferentes zonas donde se dan las condiciones necesarias para la formación de ciclones (imagen tomada de snet.gob.sv)

La Figura 16 muestra las zonas donde cumplen las condiciones para el desarrollo de un ciclón: • Cuenca del Atlántico (1) • Noroeste de la cuenca del Pacífico (de México hasta la línea de cambio de flecha) (2) • Noroeste de la cuenca del Pacífico (línea de cambio de flecha) (3) • Norte del océano Índico (incluyendo la bahía de Bengala y el mar de Arabia) (4) • Suroeste del océano Índico (de África hasta 100° E) (5) • Suroeste de la cuenca indo/australiana (100°E -142°E) (6) • Cuenca australiana/suroeste del Pacífico (142°E -120°O) (7) El disco de nubes en la parte superior del ciclón tiene una orientación y giro definido por la rotación de la Tierra. El giro puede variar dependiendo del hemisferio en el que se origina el ciclón. Posee un giro congruente con el movimiento de las agujas del reloj, si se origina en el hemisferio Norte y contrario a las agujas del reloj si este se crea en el hemisferio Sur. Otra característica de los ciclones es la presión asociadas a ellos. La presión se divide en dos partes: una parte de alta presión en los niveles altos de la atmósfera y una parte de baja presión en la superficie. A este fenómeno se le conoce como ciclón tropical.

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Dentro de los ciclones tropicales tenemos la siguiente clasificación: 1. Depresiones tropicales: Es un fenómeno característico por la velocidad de sus vientos que pueden llegar hasta 62 km/h. Este fenómeno todavía no define características propias de un huracán como el ojo del huracán, ni la forma espiral de las nubes. 2. Tormentas tropicales: La velocidad de los vientos en este caso va desde los 62 km/h hasta 120 km/. Este ya define su forma ciclónica, pero todavía no presenta un ojo. 3. Huracanes: Esta es la última etapa de un ciclón. Los huracanes se caracterizan por la velocidad de vientos que estos alcanzan mayores a los 120 km/h. Incluso dentro de los huracanes existe una clasificación dependiendo de la intensidad de los vientos, esta clasificación es: • CATEGORÍA 1: Vientos entre 120 a 150 km/h. • CATEGORÍA 2: Vientos entre 151 a 180 km/h. • CATEGORÍA 3: Vientos entre 181 a 210 km/h. • CATEGORÍA 4: Vientos entre 211 a 250 km/h. • CATEGORÍA 5: Vientos mayores de 251 km/h. Otra característica especial de los huracanes es el ojo del huracán caracterizado por ser una zona con un radio de acción entre 10 -30 km, casi libre de nubosidad y con vientos débiles. Es el punto de presión más baja dentro del cual existe una zona de seguridad puesto que no presenta los efectos de lluvia y viento; estos efectos realmente se desarrollan alrededor del ojo del huracán. 4. Tifón: Es igual a un huracán o un ciclón tropical sólo que se origina y desarrolla en el noroeste del Océano Pacífico, por lo que se le conoce como un huracán asiático. La importancia de conocer lo que son los ciclones y sus diferentes etapas es que estos ocasionan daños al ser humano, dentro de los cuales tenemos: • Marea de tempestad y oleaje, a los residentes de la zona costera. • Daños por vientos fuertes. • Lluvias que generan inundaciones por desbordamiento de ríos o canales. Al tratarse de huracanes los daños que causan dependen de la categoría asignada: • CATEGORÍA 1: Los daños ocasionados son a la vegetación y al tendido eléctrico. Con marejadas de 1.32 a 1.65 m sobre lo normal. • CATEGORÍA 2: Ocasión a daños considerables a la vegetación y árboles. Destrucción parcial de tejados, puertas y ventanas, pero pocos daños a estructuras y edificios. Marejadas de 1.98 a 2.68 m sobre lo normal. Las carreteras y caminos cerca de las costas son inundados. Daños considerables a muelles. Por lo que inicia la evacuación de residentes que habitan en terrenos bajos en zonas costeras.

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¿Sabías que… Los fenómenos atmosféricos que han sido los más devastadores en los últimos años en nuestro territorio han sido: Ida, Mitch y Stan. • El huracán Mitch fue uno de los ciclones tropicales más poderosos y mortales que se han visto en la era moderna. Produjo vientos con velocidad máxima de 290 km/h. Mitch pasó por Centroamérica del 22 de octubre al 5 de noviembre durante la temporada de huracanes en el Atlántico del año 1998. • Stan fue la decimoctava tormenta tropical y el décimo huracán durante la temporada de huracanes del océano Atlántico en el año 2005. • Ida fue el tercer huracán durante la temporada de huracanes en el Atlántico, haciendo sentir su fuerza en noviembre de 2009.

• CATEGORÍA 3: Grandes árboles son derribados, al igual que anuncios y letreros que no están sólidamente instalados. Daños a los tejados, puertas y ventanas de los edificios así como a las estructuras de los edificios pequeños. Marejadas de 2.97 a 3.96 m sobre lo normal e inundaciones en extensas áreas de zonas costeras, con amplia destrucción de edificaciones que se encuentren cerca del litoral. Los terrenos llanos menores o iguales a 1.65 m sobre el nivel del mar se inundan hasta más de 13 km tierra adentro. Evacuación de todos los residentes a lo largo de las zonas costeras. • CATEGORÍA 4: Los árboles y arbustos son arrasados por el viento. Los anuncios y los letreros son arrancados o destruidos. Amplios daños en techos, puertas y ventanas. Hundimiento total de techos en viviendas pequeñas. Presenta marejadas de 4.29 m a 5.94 m sobre lo normal. Los terrenos llanos menores o iguales a 3.30 m sobre el nivel del mar se ven inundados hasta 10 km tierra adentro. Evacuación masiva de todos los residentes en un área de 500 m de la costa y también en terrenos bajos, hasta 3 km tierra adentro. • CATEGORÍA 5: Es el mismo efecto de la Categoría 4, pero la intensidad es distinta. Los daños están sujetos a la velocidad con que el ciclón se traslade sobre la superficie terrestre.

•

DESARROLLO DE LA LECCIÓN

1. Construcción de un higrómetro (Tiempo aproximado: 45 minutos) Con esta actividad se pretende construir un higrómetro usando material casero para medir la cantidad de humedad que contiene el aire. Es recomendable que esta actividad se ejecute antes de entrar a la época lluviosa, para lograr calibrar correctamente el higrómetro. Formar grupos de 3 ó 4 estudiantes. Preguntar: ¿Qué observan que sucede antes de que empiece a llover? ¿Has escuchado mencionar sobre “la brisa de lluvia”? ¿Al ir a la playa o a un lago, siente el clima húmedo? ¿Existirá en el aire partículas de agua? Materiales: • 1 lápiz • 1 cinta adhesiva • 1 regla y tijeras

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• 6 tachuelas • 1 bolígrafo de color con punta fina • 1 pedazo de cartón duro de 24 cm x 30 cm • 1 ficha de 16 cm x 4 cm • 1 cabello largo de 25 cm • 1 trozo de madera de 24 cm x 4 cm y 4 cm de espesor Procedimiento: Nota: Tener cuidado de que los grupos sigan las instrucciones por la delicadeza del experimento. 1. Trazar una flecha de 13 cm x 2 cm sobre una ficha y recortarla. Figura 17. Modelo del higrómetro. 2. Pegar un extremo del cabello en la parte superior de un pedazo de cartón. 3. Con las tachuelas adherir el cartón a lo largo del trozo de madera y pegar el extremo libre del cabello en la parte posterior de la flecha (Fig. 17). 4. Colocar la flecha sobre el cartón y moverla hasta que el cabello esté totalmente estirado. Después, pega el otro extremo de la flecha con una tachuela. 5. Antes de calibrar el instrumento, pídales que escriban en el cuaderno una hipótesis sobre ¿cómo funciona el higrómetro? 6. Coloque el higrómetro en algún lugar de la escuela donde alumbre el Sol, asegurándose de que no se voltee. Cuando el Sol esté alumbrando, señala el cartón hacia donde está apuntando la flecha. Escribe la palabra “seco” al lado de esta marca, y esto es porque el cabello en día seco se acorta y en días húmedos se alarga. 7. Cuando el tiempo esté húmedo, la flecha apuntará hacia abajo. Marca esta nueva posición y escribe la palabra “húmedo” en la tarjeta. Registra tus observaciones todos los días durante tres semanas. 2. Pluviómetro casero (Tiempo aproximado: 60 minutos) El objetivo de la práctica es determinar la cantidad de precipitación (lluvia) que cae en la temporada lluviosa. Es importante que el estudiante lleve un control al menos cualitativo de la cantidad de lluvia que cae en su sector domiciliario o su escuela ya que nuestro país, en las épocas lluviosas, presenta una serie de riesgos que ponen en peligro la infraestructura y la vida misma como deslizamientos, desbordamientos de ríos, etc. Esta actividad es recomendable ejecutarla en parejas. Preguntar: ¿De qué manera se genera la lluvia? ¿Cómo te imaginas que se mide la cantidad de agua lluvia? ¿Cuáles serán los factores que inciden en que la precipitación (lluvia) sea intensa o débil? Materiales: • 1 vaso de vidrio • 1 bolsa plástica • 1 botella de vidrio o plástico transparente • 1 regla graduada • 1 embudo de plástico que se ajuste a la botella

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• 1 cinta adhesiva • ½ taza de agua caliente • Cubos de hielo • Lluvia Procedimiento: 1. Derrame agua caliente en el vaso de vidrio y selle la boca del vaso mediante una bolsa y cinta adhesiva. 2. Que observen lo que sucede. Preguntar: ¿Qué sucederá si colocamos unos cubos de hielo encima de la bolsa? Observarán la condensación del agua, ya que acumulará vapor de agua en la bolsa. Los choques de las masas de aire frío elevan las masas de aire cálido y de esta manera al enfriarse se condensan. 3. Afuera de una botella, pegar con cinta adhesiva una regla. La regla debe ser colocada en forma vertical para que se pueda leer la escala de abajo hacia arriba. Colocar la escala menor en la parte inferior y la escala mayor en la parte superior. 4. Colocar el embudo en la boca de la botella para recolectar el agua lluvia. 5. Después de que llueva observen el pluviómetro el nivel de agua recolectada. Reportar la altura del agua en milímetros de agua (Fig. 18).

Figura 18. Esquema experimental del pluviómetro

Enfatizar: Un pluviómetro es un instrumento que se emplea en las estaciones meteorológicas para la recogida y medición de la precipitación. La cantidad de agua caída se expresa en milímetros de altura (Tabla 1). Tabla 1. Relación de la intensidad de la lluvia y la cantidad de agua precipitada. Tipo de alarma

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Cantidad de lluvia acumulada (mm)

Intensidad de las lluvias

Ninguna

X ≤ 5 mm

Lluvias ligeras.

Amarilla

6 mm ≤ X ≤ 15 mm

Lluvias ligeras a regulares.

Naranja

16 mm ≤ X ≤ 30 mm

Lluvias de regular a fuerte.

Roja

31 mm ≤ X ≤ 50 mm

Lluvia fuerte a tormenta intensa.

Roja Intensa

X ≥ 51 mm

Tormenta intensa o torrencial.

3. Efecto de los tornados (Tiempo aproximado: 15 minutos) Con este experimento se pretende simular el tipo de movimiento de los tornados asociándolo al movimiento de los huracanes, pero con mayores cantidades de aire. Se recomienda buscar un espacio abierto debido a que se utilizará agua. Formar grupos de 3 estudiantes (Fig. 19). Materiales: • 2 botellas plásticas de 2 L de capacidad • 1 lápiz • 2 tazas de agua • 1 cinta adhesiva Figura 19. Un tornado donde se observa el movimiento rotatorio. Procedimiento: 1. Llene una botella con agua. Coloque en la boca de la botella cinta adhesiva. 2. Utilice un lápiz para hacer un agujero en la cinta adhesiva. 3. Coloque boca abajo la segunda botella vacía, sobre la boca de la primera botella de tal manera que ambas bocas se unan. Una las dos aberturas con cinta adhesiva. Preguntar: ¿Qué sucederá si se voltea la botella con agua sobre la botella vacía? Ejecútelo (Fig. 20). 4. Anota y dibuja lo observado en tu cuaderno. Explica: ¿Cómo se simularon los tornados?¿Qué hubiese sucedido si el agujero hubiera sido más grande?

Figura 20. Esquema del experimento.

ACTIVIDAD INTEGRADORA Integración con… Seguridad en casos de emergencia Con esta actividad se busca conocer las medidas de seguridad, con el objeto de protegernos de un evento natural como los huracanes. Preguntar: ¿Qué manifestaciones climáticas generan los huracanes? Lluvias torrenciales, fuertes vientos, desbordes de ríos a causa del exceso de lluvia, deslaves en tierras poco compactas. ¿Qué riesgos pueden estos fenómenos presentar a los seres humanos? Derrumbe de casas, o casas soterradas, inundaciones en ciertas zonas del país. ¿Por qué es importante una ruta de

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evacuación? Para prever las zonas que pueden generar mayor riesgo a la hora de un huracán, para protegernos en un lugar donde no corra riesgo la vida humana. Plantea una ruta de evacuación y describe las características que debería cumplir dicha ruta; por ejemplo: zonas alejadas de las costas, zonas que no presenten peligro de derrumbes, zonas alejadas de barrancos o quebradas, etc. Luego, reflexiona si la ruta de evacuación cumple con los parámetros de su comunidad y si son adecuadas las medidas antes, durante o después del evento natural (huracán); por ejemplo: proteger las ventanas, podar o cortar las ramas que signifiquen un peligro, etc. Finalizar con la elaboración de un listado de materiales que son necesarios en una emergencia. Preguntar: ¿Qué materiales son necesarios en caso de emergencia? Linterna, baterías adicionales para la linterna, radio portátil (operado con baterías), botiquín y manual de primeros auxilios, alimentos enlatados o preservados, agua, entre otros. REFERENCIAS 1. Mandell, M. [1959] Physics Experiments for Children. Estados Unidos: Dover Publication Inc. 2. Sección educativa [s.f.] Meteorología. Extraído en marzo de 2011 desde http://www.snet.gob. sv/ver/seccion+educativa/ 3. Various authors [2006] Science. Estados Unidos: Hartcourt School Publisher

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¡Veamos qué hemos aprendido! 1. Identifica el tipo de movimiento de las masas de aire. Después, escribe el tipo de precipitación que generan:

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2. Nombrar las diferentes capas que constituyen la atm贸sfera de la Tierra:

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CREDITOS DE FOTOGRAFIA

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Este material de Autoformación e Innovación Docente es un esfuerzo del Gobierno de El Salvador (Gestión 2009-2014) para desarrollar y potenciar la creatividad de todos los salvadoreños y salvadoreñas, desde una visión que contempla la Ciencia y la Tecnología de una manera “viva” en el currículo nacional, la visión CTI (Ciencia, Tecnología e Innovación).