1 ¿De qu´ e estamos hechos? En esta primera unidad estaremos centrados, en darte a conocer como el hombre construy´o explicaciones a partir de modelos que intentaban responder a preguntas como: ¿De qu´e estamos hechos? ¿De qu´e est´an hechas las cosas? Construir modelos para dar respuestas a dichas preguntas implic´o mucho tiempo (siglos) y trabajo. Te puedes preguntar, ¿qu´e tiene que ver lo anterior con la electricidad? Tiene mucho que ver, pues, la electricidad, como tal, se desarroll´o en un contexto hist´orico, cultural, social, pol´ıtico, econ´omico, cient´ıfico, etc., con un concepto fundamental que sirvi´o de eje unificador: la carga el´ectrica. Y para conocer las caracter´ısticas de la carga el´ectrica (sus propiedades) es necesario conocer la constituci´on de las cosas a nivel microm´etrico (a escalas o tama˜ nos inmensamente peque˜ nos). ¿C´omo se construyeron las explicaciones de los fen´omenos el´ectricos naturales? De diversas formas y es necesario que las conozcas, no en detalle, sino sus partes esenciales para que comprendas la naturaleza, el sentido y la evoluci´on del concepto electricidad. Por u ´ltimo, debes tener presente que el desarrollo de la electricidad y sus aplicaciones, como, por ejemplo, el uso de la energ´ıa el´ectrica ha sido fundamental en lo que a la mejora de nuestra calidad de vida se refiere, y si no lo crees, te invitamos a que imagines tu vida, tal como es, sin la electricidad y sin energ´ıa el´ectrica en tu casa.
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8
1. ¿De qu´e estamos hechos?
1.1.
¿Qu´ e sabes sobre la constituci´ on de la materia (personas o cosas)?
Las cuestiones a continuaci´on tienen como finalidad que expreses de forma breve y clara lo que sabes o piensas sobre la constituci´on de la materia. No esperamos que respondas de forma correcta desde la F´ısica, debes, simplemente, expresar lo que sabes o piensas al respecto. Contrasta tus respuestas con las de tus compa˜ neros. ¿De qu´e estamos hechos? ¿De qu´e est´an hechas las cosas?
¿Descubri´o el hombre de que estamos hechos o de qu´e est´an hechas las cosas?
¿C´omo piensas que la humanidad encontr´o respuestas a las preguntas anteriores?
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1.2. Lo que debes comprender, conocer y saber hacer
1.2.
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Lo que debes comprender, conocer y saber hacer
Siempre ante una nueva tarea o proceso de aprendizaje es necesario que tengas claro lo que se espera que logres. En consecuencia, ante lo planteado hasta el momento, responde las siguientes cuestiones: Describe de forma breve y clara, lo que te hemos dicho que vamos a estudiar.
¿Qu´e piensas que necesitas aprender, en funci´on de tus debilidades y fortalezas, para hacer frente o centrarte de forma adecuada en el estudio de este tema?
Tus respuestas a las cuestiones anteriores, nos permitir´an establecer claramente en qu´e podemos apoyarte para que logres comprender y conocer sobre el tema. Por lo pronto, esperamos que al finalizar el estudio de esta unidad:
Seas capaz de describir compresivamente, de forma verbal o escrita, la evoluci´on de las principales ideas que est´an a la base de los distintos modelos explicativos de la estructura at´omica de la materia.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
1.3.
Algunas estrategias para aprender a aprender
Inicias el estudio de un nuevo e interesante tema, eso requiere de tu parte inter´es, trabajo y responsabilidad, pero, adem´as, es muy importante que: Nunca consideres el estudio como una obligaci´on, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. ALBERT EINSTEIN Para lograr construir conocimiento sobre el tema de esta unidad did´actica es importante que: 1. Leas individualmente. 2. Identifiques en la lectura: las ideas principales. las formas de construir explicaciones o posibles respuestas a las dos cuestiones principales de esta unidad did´actica. las similitudes y diferencias entre una explicaci´on y otra. La construcci´on de un mapa conceptual te ayudar´ıa a comprender y manejar las ideas principales del tema. Por u ´ltimo, es importante que tengas claro que s´olo te estamos aconsejando sobre la mejor forma de estudiar. No te estamos asignando tareas y deberes.
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1.4. Nuevos conocimientos
1.4.
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Nuevos conocimientos
En esta secci´on te presentamos nuevos y distintos conocimientos sobre c´omo lleg´o el hombre a construir explicaciones sobre la constituci´on de la materia. Este nuevo conocimiento, es presentado a trav´es de un conjunto de actividades dirigidas a facilitarte su aprendizaje, comprensi´on y su construcci´on.
1.4.1.
Algunas de las primeras explicaciones (modelos) sobre la constituci´ on de la materia
En un primer momento, los hombres, constru´ıan explicaciones m´ıticas de los fen´omenos naturales que le interesaban. Luego pasaron a construir explicaciones, sobre lo que les interesaba, sustentadas en sus vivencias cotidianas o lo que ve´ıan diariamente. Por u ´ltimo, llegaron a la conclusi´on que requer´ıan de ciertos niveles de razonamiento, apoyados por la experiencia y por un m´etodo o forma de trabajo con ciertas caracter´ısticas, para lograr comprender los fen´omenos naturales que les interesaba, con la finalidad de controlar la naturaleza para mejorar su calidad de vida. Te puedes preguntar, ¿qu´e son explicaciones m´ıticas? ¿Qu´e es un mito? Un mito es un relato sobre dioses, fueran hombres u objetos inanimados, el sol o los astros, donde estos u ´ltimos, los dioses influ´ıan sobre el bienestar o no de los hombres. Lo importante aqu´ı y realmente relevante es que, usando sus creencias sobre dioses o astros, los hombres construyeron modelos explicativos de muchos fen´omenos o sucesos de la vida diaria que llamaban su atenci´on. Un ejemplo de estos son los griegos antiguos que tienen modelos m´ıticos, despu´es modelos filos´oficos. Muchos de esos mitos son muy conocidos hoy en d´ıa, pues, algunos fueron narrados por escrito por Homero. El escribir los mitos, con sus explicaciones (origen y estado de la cuesti´on), hizo posible discutirlos. Debido a la posibilidad de discutirlos, se comienza a pasar de construir explicaciones basadas en los mitos, a construir explicaciones basadas en la filosof´ıa como expresi´on de la cosmovisi´on del mundo. Estos pueden ser a predominancia empiristas y otros racionales. En este momento nace la figura del filosofo, el que buscaba explicaciones a distintos fen´omenos de la naturaleza. A continuaci´on te presentaremos de forma resumida y lo m´as clara posible las primeras explicaciones que intentaban dar respuestas a las cuestiones: ¿de qu´e estamos hechos? ¿De qu´e est´an hechas las cosas? Las primeras ideas
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
en este sentido, no sustentadas en los mitos, fueron muy llamativas y se centraron en la b´ usqueda de la sustancia base al origen de todo. El agua era el origen de todas las cosas (Tales de Mileto). No se sabe que quer´ıa decir Tales. Tal vez estando en Egipto, y contrastando con el desierto, es muy probable que viera c´omo todo crec´ıa en cuanto las aguas del Nilo se retiraban de las regiones de su delta. Quiz´as tambi´en viera c´omo, tras la lluvia, iban apareciendo ranas y gusanos. El origen de todo era el aire o la niebla (Anax´ımenes). Es evidente que el autor de esta idea conoc´ıa la teor´ıa de Tales sobre el agua. ¿Pero de d´onde viene el agua? Anax´ımenes opinaba que el agua ten´ıa que ser aire condensado, pues vemos c´omo el agua surge del aire cuando llueve. Y pensaba que cuando el agua se condensa a´ un m´as, se conviert´ıa en tierra. Este puede ser el eje central de las ideas de Anax´ımenes. El origen de todas las cosas tiene a su base cuatro elementos tierra, aire, fuego y agua (Emp´ edocles).Algunos siglos despu´es, se comienza a rechazar la idea de que hay un solo elemento y se comienza a hablar de cuatro elementos. Para algunos ten´ıa su origen en lo siguiente. La vida s´olo era posible donde hab´ıa humedad, una flor sin agua se muere; luego el primer elemento era el agua. Pero el agua no es s´olida, se escapa de las manos. Una monta˜ na no puede estar formada de agua y necesita, por tanto, otro elemento que le d´e consistencia, solidez. Por lo que el segundo elemento era la tierra, que da consistencia al agua. El barro resulta de la mezcla del agua con la tierra. Por lo que el tercer elemento postulado por este fil´osofo fue el aire, pues seca o evapora el agua que contienen las cosas. Por u ´ltimo, consider´o el fuego como cuarto elemento. Para otros, fue asombroso c´omo el hombre transformaba tierra, agua, aire y fuego en piedra para hacer puntas de flechas, vasijas para cocer los alimentos, tejas para el techo de las viviendas, etc. ¿Qu´e tienen en com´ un estas primeras explicaciones, entre s´ı, sobre el origen de las cosas? ¿Cu´al es la caracter´ıstica m´as relevante de dichas ideas desde tu perspectiva?
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1.4. Nuevos conocimientos
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En la b´ usqueda de respuestas, tambi´en encontramos explicaciones muy contradictorias entre s´ı y a la vez, algo complicadas. Todo lo que hay ha existido siempre (Parm´ enides). Por lo tanto, nada puede surgir de la nada y algo que existe, tampoco se puede convertir en nada. Lo que llev´o a los seguidores de Parm´enides a creer que ning´ un verdadero cambio era posible, pues, no hay nada que se pueda convertir en algo diferente a lo que es exactamente. Entonces, las cosas o las personas no cambian. Pero, tu puedes argumentar que esto no es cierto, pues, todo el mundo ve que las personas cambiamos a medida que pasan los a˜ nos. Por ejemplo, las personas pasan de ni˜ nos a adolescentes. Los cambios constantes eran los rasgos m´ as b´ asicos de la naturaleza (Her´ aclito). ((Todo fluye)), todo est´a en movimiento y nada dura eternamente, por eso no podemos ((descender dos veces al mismo r´ıo)), pues cuando desciendo al r´ıo por segunda vez, ni yo ni el r´ıo somos los mismos, seg´ un Her´aclito.
¿Qu´e tienen en com´ un las dos explicaciones (ideas) anteriores? ¿Qu´e tienen que ver los cambios o no cambios en dar respuesta a las cuestiones centrales de este tema? ¿Hay similitudes o diferencias con las primeras explicaciones que te presentamos? ¿Que opinas? Es dif´ıcil que dos personas puedan estar en m´as desacuerdo que Parm´enides y Her´aclito.
Otra explicaci´on o respuesta a las mismas preguntas la present´o Dem´ocrito. Este fil´osofo griego estaba de acuerdo con sus predecesores en que los cambios en la naturaleza exist´ıan, pero que hab´ıan cosas b´asicas que no cambiaban. ¿C´omo conciliar ambos puntos de vista? Supon´ıa, por lo tanto, que todo ten´ıa que estar construido por unas piececitas peque˜ nas e invisibles, cada una de ellas eterna e inalterable. A estas piezas m´as peque˜ nas Dem´ocrito las llam´o ´atomos. La palabra ((´ atomo)) significa ((indivisible)). Donde ((Tomo)) es parte y el prefijo a niega lo que sigue: ((sin partes)) Era importante para Dem´ocrito afirmar que eso de lo que todo est´a hecho no pod´ıa dividirse en partes m´as peque˜ nas. Las diferentes partes, arreglos de esas, pueden explicar los cambios.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
Existe un sinf´ın de diferentes ´atomos en la naturaleza, dec´ıa Dem´ocrito. Algunos son redondos y lisos, otros son irregulares y torcidos. Precisamente por tener formas diferentes, pod´ıan usarse para componer diferentes cuerpos. Pero aunque sean much´ısimos y muy diferentes entre s´ı, son todos eternos, inalterables e indivisibles. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un ´arbol o un animal mueren y se desintegran, los ´atomos se dispersan y pueden utilizarse de nuevo en otro cuerpo. Pues los ´atomos se mueven en el espacio, pero como tienen entrantes y salientes se acoplan para configurar las cosas que vemos en nuestro entorno.
¿C´omo piensas que lleg´o Dem´ocrito a estas conclusiones sobre el ´atomo? ¿Qu´e tipo de explicaci´on es la de Dem´ocrito? ¿M´ıtica? ¿Razonada? ¿Basada en la experiencia? Es necesario hacer hincapi´e que todo lo anterior presenta brevemente las ideas o concepciones que los griegos fueron desarrollando sobre la constituci´on del hombre y las cosas.
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1.4. Nuevos conocimientos
1.4.2.
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¿C´ omo se imaginaba Dem´ ocrito un ´ atomo? ¿C´ omo te lo imaginas t´ u?
El problema principal de Dem´ocrito y de los que lo antecedieron fue que no pod´ıan ver dentro de las personas o de las cosas, para conocer como estaban hechos o que lo constitu´ıan. La verdad era que ten´ıan que imaginarse todo. Representa mediante un dibujo tu idea de lo que es un ´atomo.
¿C´omo podemos tener una idea de algo que no vemos, algo que est´a m´as all´a de nuestro mundo inmediato?
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
1.4.3.
¿C´ omo explicamos lo que no vemos?
Tu profesor o profesora te facilitar´a una peque˜ na caja cerrada. Dentro de dicha caja hay objetos que debes identificar, sin abrirla.
¿C´omo podr´ıas saber que hay dentro de la caja? ¡Recuerda! No puedes abrir la caja.
Anota cu´ales son los objetos que crees, est´an dentro de la caja. Anota, en los espacios en blanco a continuaci´on, qu´e pistas te permitieron identificar dichos objetos.
¿C´omo piensas que los hombres construyeron explicaciones sobre la constituci´on de las cosas, si no pod´ıan ver dentro de las mismas?
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1.4. Nuevos conocimientos
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
1.4.4.
Algunos de los modelos o ideas elaborados sobre el ´ atomo y su constituci´ on
Una posible estrategia, para saber que conten´ıa la caja cerrada, pudo haber consistido en escuchar y analizar los distintos sonidos que se produc´ıan al zarandearla. De esta forma ibas identificando lo que hab´ıa adentro de la caja, a trav´es de lo que escuchabas. Con esta informaci´on construiste una idea sobre lo que ocasionaba los distintos sonidos. Esta forma de buscar explicaciones para identificar cosas y construir explicaciones no se aleja mucho de la forma en que lo hicieron los primeros interesados en lo que ocurr´ıa a su alrededor. Una idea o teor´ıa sobre la naturaleza de un fen´omeno para explicar hechos experimentales constituye lo que en ciencias se denomina modelo cient´ıfico. Un ejemplo de modelo cient´ıfico es el modelo at´omico. Nadie ha visto de manera directa el ´atomo. Sin embargo, observando una serie de fen´omenos en el comportamiento de la materia es posible desarrollar una serie de ideas de c´omo es la estructura de la materia. A lo largo de la historia de la humanidad el hombre, en su af´an de buscar explicaciones sobre c´omo est´a constituida la materia, ha construido distintos modelos. ¡Veamos, cu´ales son!
¡Bienvenido al mundo de explicaciones que ha construido el hombre sobre c´ omo est´ an formadas las cosas que nos rodean y hasta nosotros mismos!
Regresando a Dem´ ocrito Experimentar es m´as que observar; entre otras cosas hay control de variables. Varios cient´ıficos realizaron experiencias con el fin social de cambiar la materia. Algunos resultados son los siguientes: Proporciones definidas: si mezclamos azufre con limadura de hierro con un im´an podemos separarlos de nuevo. Pero, si calentamos esta mezcla se forma otra sustancia diferente y no podemos separarla. Adem´as, si mezclamos 100 g de hierro con 57,4 g de azufre se forma 157,4 g de una sustancia diferente llamada sulfuro de azufre. Hay proporciones definidas. Proust enunci´o esta ley.
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1.4. Nuevos conocimientos
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Proporciones m´ ultiples: Lo anterior no permite por s´ı s´olo definir las relaciones, pues, hay varias posibilidades. Dos elementos que reaccionan pueden dar diversos compuestos seg´ un sus proporciones relativas y las condiciones de reacci´on. Principio de Avogadro: cuando son gases los que reaccionan los vol´ umenes de gas de los reactivos est´an en relaciones simples. De all´ı que los vol´ umenes iguales de gases diferentes, a la misma temperatura y presi´on, contienen el mismo n´ umero de part´ıculas. El ingl´es John Dalton, hacia 1800 retoma las ideas de Dem´ocrito sobre el ´atomo y apoy´andose en experiencias realizadas, lleg´o a la conclusi´on que: la materia est´a constituida por part´ıculas indivisibles (´atomos), todos los ´atomos de un mismo elemento qu´ımico son iguales, los ´atomos de elementos diferentes son tambi´en diferentes. los ´atomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios qu´ımicos.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
´ Figura 1.1: Atomo de Thompson
El modelo del Pudin de pasas Muchos a˜ nos despu´es, hacia 1897 Joseph John Thompson descubre el electr´on a trav´es de una serie de experimentos, que consist´ıan en usar tubos de gases a baja presi´on en los que se establece una diferencia de potencial superior a 10 000 voltios. Como consecuencia aparecen cargas el´ectricas negativas a las que se llam´o electrones, y se demostr´o que hab´ıan sido arrancados de los ´atomos (los cuales eran neutros). Tal descubrimiento modific´o el modelo at´omico de Dalton, que lo consideraba indivisible. Thompson supuso el ´atomo como una esfera homog´enea e indivisible cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones. A este modelo at´omico de Thomson se le conoce como modelo del pud´ın. Ver Figura 1.1 (Imagen obtenida en:http://wapedia.mobi/es/Imagen:Plum pudding atom.svg). El descubrimiento del n´ ucleo at´ omico Despu´es de Thompson, otro f´ısico ingl´es, Ernest Rutherford, realiz´o una serie de experimentos. Hizo incidir sobre una l´amina fin´ısima de oro, un delgado haz de part´ıculas cargadas positivamente de masa mucho mayor, que la masa del electr´on y dotadas de energ´ıa cin´etica alta, ver la figura 1.2 (en:http://wapedia.mobi/es/Modelo atomico de Rutherford). En el choque, entre el haz de part´ıculas positiva y la l´amina de oro, observ´o distintos
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1.4. Nuevos conocimientos
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comportamientos: la mayor´ıa de las particulas cargadas positivamente atravesaban la l´amina sin desviarse; algunas de las particulas cargadas positivamente se desviaban; muy pocas de las particulas cargadas positivamente retroced´ıan. Los resultados de esta experiencia se˜ nalaron que los ´atomos: estaban casi vac´ıos en su interior, pues la mayor´ıa de las part´ıculas cargadas positivamente las atravesaban. tienen una zona cargada positivamente, pues, algunas de las part´ıculas del haz con carga positiva retroced´ıan o se desviaban. Esta zona deb´ıa estar muy concentrada ya que era mayor el n´ umero de desviaciones que el n´ umero de choques. En el siguiente sitio Web puedes apreciar en detalle la experiencia de Rutherford:
http://www.youtube.com/watch?v=mmAvvx5m6ts&feature=channel page
Como consecuencia de este descubrimiento, Thompson propuso, en 1911, un nuevo modelo at´omico en el que se afirmaba que los ´atomos estaban constituidos por 2 zonas bien diferenciadas. Una zona de carga positiva con el 99,9 porciento de la masa muy concentrada y por tanto de gran densidad a la que llam´o n´ ucleo. Y otra rodeando al n´ ucleo a la que llam´o corteza donde estaban los electrones con carga negativa girando alrededor del n´ ucleo. El descubrimiento del neutr´ on Despu´es del experimento de Rutherford de la l´amina de oro, los F´ısicos y los Qu´ımicos pensaban que en los n´ ucleos at´omicos deber´ıan de existir, adem´as de los ya descubiertos protones, otras part´ıculas sin carga el´ectrica. Esta especulaci´on estaba basada en el hecho de que la masa de los ´atomos de hidr´ogeno era aproximadamente la suma de las masas del electr´on y el
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
´ Figura 1.2: Atomo de Rutherford
prot´on. Sin embargo, la masa de todos los dem´as ´atomos es mayor que la suma de las masas de sus protones mas sus electrones. El mismo Rutherford propuso su existencia en 1918 y el 27 de febrero de 1932, Chadwick (que hab´ıa sido alumno de Rutherford) report´o sus resultados, interpret´andolos como evidencia de la nueva part´ıcula neutra a la que se le llam´o neutr´on. Este descubrimiento le vali´o a Chadwick un premio Nobel. Mejorando el Modelo at´ omico de Rutherford Tras el descubrimiento del neutr´on en 1913 B¨ohr intent´o mejorar el modelo at´omico de Rutherford aplicando las ideas cu´anticas de Planck a su modelo. Para realizar su modelo at´omico se vali´o del ´atomo de hidr´ogeno; describi´o el ´atomo de hidr´ogeno con un prot´on, como n´ ucleo y con un electr´on girando a su alrededor. Ver Figura 1.3 (Imagen obtenida en: (http://wapedia.mobi/es/Modelo atomico de Bohr) El Modelo actual del ´ atomo El modelo actual del ´atomo fue el propuesto, en 1925 por Heisenberg y Schrodinger. Los aspectos caracter´ısticos de este modelo son: Dualidad onda-part´ıcula: Broglie propuso que las part´ıculas materiales tienen propiedades ondulatorias, y que toda part´ıcula en movimiento
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1.4. Nuevos conocimientos
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´ Figura 1.3: Atomo de B¨ohr
lleva una onda asociada. Principio de indeterminaci´on: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electr´on en un punto exacto del espacio. Las ecuaciones del modelo cu´antico describen el comportamiento de los electrones dentro del ´atomo, y recogen su car´acter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas. Ver Figura 1.4 (Imagen obtenida en: http://wapedia.mobi/es/Modelo atomico de Schrodinger). Como vemos a lo largo de la historia del desarrollo de la F´ısica como Ciencia la construcci´on de modelo sobre el ´atomo y la constituci´on de la materia ha sido la norma. Por lo tanto, el F´ısico siempre busca expresar su comprensi´on de la naturaleza a trav´es de modelo explicativos de lo que sucede.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
´ Figura 1.4: Atomo
Hacia el desarrollo de la Ense˜ nanza de la F´ısica en Panam´ a
1.5. ¿Qu´e aprendiste sobre los modelos que explican la constituci´on de la materia?
1.5.
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¿Qu´ e aprendiste sobre los modelos que explican la constituci´ on de la materia?
En esta secci´on te invitamos a reflexionar sobre lo aprendido a lo largo de la lectura y discusi´on de esta unidad did´actica. Es importante que identifiquemos lo que no has comprendido sobre el tema que estamos estudiando. Explica en los espacios en blanco a continuaci´on las diferencias y similitudes, que identificaste en las explicaciones de los griegos sobre la constituci´on de la materia.
¿C´omo los griegos constru´ıan sus explicaciones sobre los fen´omenos naturales que les interesaban? ¿Cu´al es la diferencia entre la explicaci´on de Dem´ocrito y Tales de Mileto?
Escribe a continuaci´on los cambios, similitudes y diferencias que identificaste entre la forma en que los primeros griegos explicaban la constituci´on de la materia y por ejemplo, Rutherford y Bohr.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
¿C´omo fundamentaron Borh, Rutherford y Thompson los modelos que presentaron sobre la constituci´on de la materia y las cosas?
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1.6. Evaluaci´on
1.6.
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Evaluaci´ on
Cada una de las actividades de evaluaci´on se˜ naladas a continuaci´on pueden ser trabajadas en peque˜ nos grupos (m´aximo tres alumnos o alumnas). 1. Construye un mapa conceptual sobre el tema tratado en esta unidad did´actica. 2. Dise˜ na y confecciona un afiche (tama˜ no de una cartulina) que ilustre esquem´aticamente las distintas concepciones que se ha tenido de la materia a lo largo de la historia, desde los griegos, hasta los modelos de J. J. Thomson y Rutherford. En este afiche debe verse claramente las caracter´ısticas o aspectos que diferencia un modelo de otro. 3. Construye una maqueta, con cartulina o cartones (todo material de bajo costo) que simule el experimento de Rutherford. 4. Dibuja un esquema o diagrama que explique lo que piensas que ocurrir´a si un cuerpo: 1) con carga negativa se aproxima a un cuerpo cargado positivamente; 2) si un cuerpo con carga positiva se aproxima a un cuerpo cargado positivamente. Utiliza para explicar lo que ya sabes del Modelo At´omico de Rutherford.
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1. ¿De qu´e estamos hechos?
Hacia el desarrollo de la Ense˜ nanza de la F´ısica en Panam´ a
2 Propiedades esenciales de la estructura at´ omica de la materia Despu´es que el hombre construye explicaciones sobre la constituci´on de la materia se encuentra con propiedades espec´ıficas y muy particulares de la misma. Por ejemplo, se encuentra que la materia se conserva, no se crea ni se destruye. Con esto establece una muy conocida ley: la ley de la conservaci´on de la materia. Adem´as, descubre que los ´atomos son muy, pero, muy peque˜ nos. Y que es importante diferenciar ente materia continua y discreta. Lo que lo lleva al concepto de cuantizaci´on. Estos conceptos no son f´aciles de comprender, pero, son muy necesarios en el estudio de la electricidad. Y el objetivo de este curso es comprender la electricidad.
2.1.
Sobre que la materia no se crea, ni se destruye y algunas cosas m´ as
Las cuestiones a continuaci´on tienen como finalidad que expreses de forma breve y clara lo qu´e sabes, piensas, o las ideas que has construido sobre el tema que vamos a estudiar. No esperamos que respondas de forma correcta desde la F´ısica, debes expresar lo que t´ u piensas. Al finalizar contrasta tus respuestas con las de tus compa˜ neros. As´ı sabes que hay un saber social que se construye com´ un y otro que difiere de individuo a individuo. 29
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Es muy com´ un escuchar decir que la materia se conserva, pero, c´omo explicas esto. ¿Qu´e nos puedes decir al respecto?
¿Qu´e significa que algo sea continuo? ¿Qu´e significa que la materia sea discreta?
¿Qu´e tama˜ nos piensas tienen los ´atomos? Utiliza un objeto conocido que te sirva de comparaci´on para explicarnos de que tama˜ no son los ´atomos.
2.2.
Lo que debes comprender, conocer y saber hacer
Como te dijimos desde la primera unidad did´actica, siempre, ante una nueva tarea o proceso de aprendizaje es necesario tener claro lo que se espera que logremos. Tener claro las metas y objetivos es clave para el ´exito de la misi´on. En consecuencia, ante lo planteado hasta el momento, responde las siguientes cuestiones:
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2.3. Algunas estrategias para aprender a aprender
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Describe de forma breve y clara, lo que te hemos dicho que vamos a estudiar.
¿Qu´e piensas que necesitas aprender, en funci´on de las debilidades y fortalezas que te has detectado, para hacer frente o centrarte de forma adecuada en el estudio de este tema? Tus respuestas a las cuestiones anteriores, nos permitir´an establecer claramente en que podemos apoyarte a lo largo del estudio de esta unidad. Por lo pronto, esperamos que al finalizar el estudio de esta unidad seas capaz de: Identificar situaciones cotidianas o fen´omenos naturales donde se pueden poner en evidencia leyes de conservaci´on. Comparar la escala at´omica con escalas manejables en la vida cotidiana y en la Ciencia. A una escala dada, diferenciar entre una propiedad continua y una propiedad discreta.
2.3.
Algunas estrategias para aprender a aprender
Es importante tener una estrategia para aprender. Debes saber que el que aprendas no es s´olo obligaci´on de tu profesor o profesora es, tambi´en, obligaci´on tuya. Si eres de las personas que dice y se repite, que todo es siempre lo mismo y, que pasa sus materias con esfuerzo, te queremos decir que:
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo. ALBERT EINSTEIN Tu primera meta ante todo debe ser siempre aprender, pero, si no has tenido mucho ´exito, puede ser que siempre haces lo mismo y no te planteas una nueva estrategia de estudio. Cambia tus h´abitos de estudio si no te dan resultado. Para que puedas aprender todo lo que te presentamos en esta unidad te aconsejamos que: 1. Leas individualmente y con detenimiento cada uno de los ejemplos. 2. Discutas, primero con tus compa˜ neros y despu´es, con tu profesor o profesora los nuevos conocimientos que te presentamos. 3. Comienza a identificar la forma en que aprendes, y en funci´on de ello elabora una estrategia de estudio. Com´entala con tu profesor o profesora. Por u ´ltimo es importante que tengas claro que s´olo te estamos aconsejando sobre la mejor forma de estudiar y por lo tanto, estas recomendaciones no tendr´an una evaluaci´on.
2.4.
Nuevos Conocimientos
La constituci´on de un tema como la electricidad implica muchas veces comprender conceptos fundamentales para darle sentido F´ısico a la misma. Pero, la mayor´ıa de las veces estos conceptos se pasan de largo como si no fueran importantes y esenciales o se nos presentan de una forma nada accesible, al punto que llegan a ser incomprensibles y poco atractivos para el com´ un de las personas. Entre estos conceptos tenemos: las leyes de conservaci´on de la materia, la neutralidad de la materia, el tama˜ no de los ´atomos y la cuantizaci´on de la carga. Con la finalidad de mostrarte la importancia de los mismos es que en esta secci´on, a partir de las distintas actividades que la componen, pretendemos present´artelos de una forma distinta y m´as accesible sin que pierdan sus aspectos fundamentales y su importancia dentro de la F´ısica.
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2.4. Nuevos Conocimientos
2.4.1.
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El concepto de Conservaci´ on
A lo largo de tu formaci´on en secundaria, habr´as escuchado, muchas veces, a tu profesor o profesora de F´ısica explicarte, en clase, la conservaci´on de la energ´ıa o conservaci´on de la cantidad de movimiento. No entraremos en detalle con respecto al concepto Energ´ıa o al concepto cantidad de movimiento, pero, si nos centraremos en el concepto conservaci´ on. ¿Qu´e implica en F´ısica o en la vida diaria que algo se conserva o que hay cantidades que se conservan? Es importante que comprendas claramente la respuesta a la pregunta anterior, pues, el concepto conservaci´on es fundamental para la comprensi´on de la F´ısica. Por ejemplo, en electricidad es muy importante la llamada Ley de Conservaci´ on de la Carga y para comprender esa ley hay que comprender que es conservaci´ on. Al decir que ((algo se conserva)) estamos se˜ nalando que ((ese algo)), no cambia con el tiempo a pesar de los m´ ultiples cambios de la naturaleza. El hecho de que, ese algo no cambie la mayor´ıa de las veces lo vemos reflejado, en F´ısica, por ejemplo, en un n´ umero. Sales a pasear con tu familia, padre, madre, tus dos hermanos y t´ u. Son cinco. Al regresar a casa esperan ser cinco, pues de otra manera alguien se perdi´o u ocurri´o algo; Esperan que el n´ umero de personas se conserven. Pero, aqu´ı no nos interesa el n´ umero, sino comprender que significa que algo se conserve. Para ello, te invitamos a que analices las situaciones que te presentamos a continuaci´on. A continuaci´on te presentamos una serie de situaciones, ante cada una, tendr´as que responder a la pregunta que se te hace. Luego de responder a todas las preguntas, procede a discutir tus respuestas con tus compa˜ neros, compa˜ neras, y despu´es con el profesor o profesora. Se te presentan dos vasos qu´ımicos con agua coloreada. Ambos vasos tienen la misma cantidad de agua (Figura 2.1).
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Figura 2.1: Vasos qu´ımicos con la misma cantidad de agua
Figura 2.2: Trasvase del agua
Vertimos toda el agua contenida en el vaso qu´ımico 1, en otro vaso qu´ımico de mayor tama˜ no (Figura 2.2).
¿Donde hay m´as agua en el vaso qu´ımico 2 o en el vaso qu´ımico 3? Explica tu respuesta en los espacios en blanco a continuaci´on (Figura 2.3).
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Figura 2.3: Comparando el contenido de agua en ambos vasos
Figura 2.4: Trasvase del agua a vasos qu´ımicos m´as peque˜nos
Vertimos toda el agua contenida en el vaso qu´ımico 3, en vasos qu´ımicos m´as peque˜ nos (Figura 2.4). ¿Donde hay m´as agua en el vaso qu´ımico 2 o en todos los vasos qu´ımicos m´as peque˜ nos agrupados en 4? Explica tu respuesta en los espacios en blanco a continuaci´on (Figura 2.5). Se˜ nala, en los espacios en blanco a continuaci´on, las diferencias y similitudes encontradas entre tus respuestas y las de tus compa˜ neros.
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Figura 2.5: Comparando el contenido de agua en 2 y 4
Despu´es de haber discutido tus respuestas, a las preguntas anteriores, con tus compa˜ neros y con tu profesor o profesora procede a escribir, en los espacios en blanco, a continuaci´on, tus conclusiones de la actividad anterior.
Te presentamos cuatro cubos de plastilina, de diferentes colores, todos los cubos tienen igual masa e iguales dimensiones (Figura 2.6).
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Figura 2.6: Bloques de plastilina
Figura 2.7: Bloques de plastilina divididos
Hemos dividido el cubo 1 de plastilina en dos pedazos, el cubo 2 en tres pedazos y el cubo 3 en ocho pedazos (Figura 2.7). ¿Cu´al cubo tiene mayor masa? ¿Cu´al cubo tendr´ıa mayor peso? ¿El cubo 1? ¿El cubo 4?
¿D´onde hay mayor masa? ¿Qui´enes, en conjunto, tendr´ıan mayor peso? ¿Los cubos agrupados en 2? ¿El cubo 4?
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
¿D´onde hay mayor masa? ¿Qui´enes, en conjunto, tendr´ıan mayor peso? ¿Los cubos agrupados en 2? ¿Los cubos agrupados en 2?
Se˜ nala, en los espacios en blanco a continuaci´on, las diferencias y similitudes encontradas entre tus respuestas y las de tus compa˜ neros.
Despu´es de haber discutido tus respuestas, a las preguntas anteriores, con tus compa˜ neros y con tu profesor o profesora procede a escribir, en los espacios en blanco, a continuaci´on, tus conclusiones de la actividad anterior.
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Figura 2.8: Conjunto de pelotas
En las discusiones con tus compa˜ neros y profesor o profesora has comenzado a comprender el concepto de conservaci´on. Con el inter´es de ayudarte a profundizar, un poco m´as, en la comprensi´on de este concepto tomamos los aspectos b´asicos de la forma en que Richard Feynman (premio Nobel de f´ısica en 1965, inventor de los diagramas que llevan su nombre, y visionario de la computaci´on cu´antica y la nanotecnolog´ıa), explic´o el concepto de conservaci´on. Para ello, este notable y reconocido F´ısico utiliz´o un ejemplo muy descriptivo. Imagina que tienes 10 pelotas verdes indestructibles, que no pueden dividirse en piezas m´as peque˜ nas y que son iguales (Figura 2.8). Luego de un tiempo de jugar con las pelotas descubres una ley fenomenol´ogica: hagas lo que hagas con las pelotas, ¡siempre tienes diez! Esto contin´ ua durante varios d´ıas, hasta que un d´ıa s´olo hay siete pelotas; pero, tras una peque˜ na b´ usqueda descubres que las tres que te faltaban estaban bajo el escritorio donde estudias diariamente; Otro d´ıa, te encuentras que el n´ umero de pelotas parece haber cambiado nuevamente: s´olo hay seis. Una nueva b´ usqueda cuidadosa pone de manifiesto que la ventana estaba abierta, y al buscar fuera aparecen las cuatro pelotas que te faltaban. Asombrosamente, tiempo despu´es encuentras que en lugar de diez pelotas ¡tienes quince pelotas! Esto te provoca una consternaci´on considerable, hasta que conversando con uno de tus compa˜ neros de clase descubre que este olvido cinco pelotas en tu casa el d´ıa anterior. Una vez que te deshaces de las pelotas extras vuelve todo a la normalidad, continuas con diez pelotas. Por un tiempo la cantidad de pelotas es la misma, diez, pero un d´ıa cuentas y s´olo hay seis. Comienzas a buscar y encuentras que algo ha cambiado. Tu madre, molesta por el desorden en tu habitaci´on, la orden´o y guard´o todo en cajas. Y al preguntarle por las pelotas te dice que puso
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Figura 2.9: Caja y pelotas
algunas dentro de una caja, pero, adem´as te advierte que tienes prohibido abrir dicha caja y mirar lo que hay dentro, pues, no es posibles que vivas entre tanto desorden. La curiosidad te mata y decides averiguar sin abrir la caja que te interesa, si la cantidad de pelotas que te faltan se encuentra dentro de la misma (Figura 2.9). Para esta tarea cuentas con informaci´on importante. Tienes una caja id´entica a la que tu mam´a us´o y con una balanza conoces que la misma tiene una masa de 78,350 g. Al pesar la caja que supuestamente contiene las pelotas encuentras que tiene una masa de 91,778 g. Pero, adem´as, mides la masa, individualmente de las pelotas que tienes y encuentras que cada una tiene un peso de 3,357 g (Figura 2.10). Esto te dice que las cuatro pelotas juntas deben tener una masa aproximada de 13,428 g. Con la informaci´on anterior y una ecuaci´on que representa lo que vas a hacer comienzas tu tarea de identificaci´on. Masa total de la caja con las pelotas –Masa de la caja = Masa de las cuatro pelotas Es claro que si el resultado de es de alrededor 13,428 g, entonces, puedes decir que las cuatros pelotas se encuentran dentro de la caja y por lo tanto, se mantiene el n´ umero de pelotas. Puede haber sucesivos cambios alrededor de las pelotas, pero, siempre ser´an diez.
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Figura 2.10: Balanza
Como cierre de esta parte te invitamos a que con uno de tus compa˜ neros o compa˜ neras procedas a describir una situaci´ on donde a pesar de que ocurren sucesivos cambios en el tiempo hay una cantidad que se conserva.
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Figura 2.11: Metro sobre una mesa
2.4.2.
El tama˜ no de los ´ atomos vs el tama˜ no de las cosas en la vida cotidiana
Hasta el momento hemos centrado tu atenci´on en que la materia est´a compuesta de ´atomos. Un punto importante es tener una idea del tama˜ no de los ´atomos, pues, no es f´acil imaginarse algo muy, pero muy peque˜ no. Por ello, te ayudaremos un poco con algunos ejemplos. En primer lugar, es importante establecer un punto de referencia para las comparaciones que queremos hacer. Nuestra referencia ser´a un metro (Figura 2.11 y 2.12). El orden de magnitud de un metro es 100 m. Un metro lo podemos dividir en 10 dec´ımetros (Figura 2.11). Pero, centr´andonos en los dec´ımetros, podemos decir que hay a nuestro alrededor muchas cosas que miden un dec´ımetro. Por ejemplo, un objeto de un dec´ımetro cabe dentro del largo de nuestra mano (Ver figura 2.13). El orden de magnitud de un dec´ımetro es de 10−1 m. Un dec´ımetro, a su vez, lo podemos dividir en 10 cent´ımetros (Figura 2.14). En nuestra vida cotidiana interactuamos con cosas que miden, aproximadamente, un cent´ımetro: el ancho de una memoria USB, el ancho de una u˜ na, etc (Figura 2.15). El orden de magnitud de un cent´ımetro es de −2 10 m. Las famosas ((minas)) o barritas de carb´on que usan los l´apices mec´anicos tienen aproximadamente un 1,0 mm de espesor (Figura 2.16). Entonces, estas barritas de carb´on tienen un orden de magnitud de 10−3 m. Pero, hay cosas cuyo tama˜ no es menor que un mil´ımetro, por ejemplo, el espesor de un cabello (Ver figura 2.17). En la figura 2.17 tenemos tres hebras de cabello sobre una regla, cuya precisi´on est´a en los mil´ımetros. Como vemos, parece que dentro de un
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Figura 2.12: Metro en posici´on vertical
Figura 2.13: Tama˜no de una mano vs un dec´ımetro
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Figura 2.14: Dec´ımetro
Figura 2.15: Cent´ımetro
Figura 2.16: Milimetro
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Figura 2.17: Espesor de un cabello
mil´ımetro cabe un n´ umero considerables de cabellos. Si un cabello mide aproximadamente 68 µm (68 x 10−6 ), entonces, ¿cu´antos cabellos caben en un mil´ımetro? Nuestra vista no distingue tama˜ nos de una decima de mil´ımetros y los micr´ometros (µ) son la mil´esima parte de un mil´ımetro. ¡Y todav´ıa no llegamos al tama˜ no de los ´atomos! Saltamos de tama˜ nos de un orden de magnitud de 10−3 m a tama˜ nos de −6 10 m. ¿Hay cosas u organismos m´as peque˜ nos que un micr´ometro? Hay virus que miden una decima de micr´ometro y son los organismos vivos m´as peque˜ nos que se conocen. El orden de magnitud del tama˜ no de un virus es −7 de 10 m. Despu´es de los tama˜ nos de los virus, nos encontramos con los tama˜ nos de las mol´eculas que es la parte m´as peque˜ na de una sustancia que conserva ´ıntegra sus propiedades. Las mol´eculas, su tama˜ no es de un orden de magnitud de 10−8 m. A partir de aqu´ı se comienzan a distinguir los ´atomos que est´an en un orden de magnitud de 10−9 m. El tama˜ no de los ´atomos los medimos en una nueva unidad de longitud: el nan´ometro. ¿Cu´ antos nan´ ometros caben en un metro? Los cient´ıficos saben que el ´atomo no es la parte m´as simple de la materia como se cre´ıa, sino que el ´atomo est´a construido de otras part´ıculas y ´estas, a
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Figura 2.18: Imagen de ´atomos de Bromo
su vez, de otras. Todav´ıa se sigue investigando cual es la composici´on u ´ltima de la materia. Por lo tanto, pueden existir cosas mucho m´as peque˜ nas que los ´atomos. Esperamos que con los ejemplos anteriores tengas una idea de las dimensiones del ´atomo. A continuaci´on presentamos las im´agenes de ´atomos tomadas con un microscopio electr´onico. Doce ´atomos de Bromo. A continuaci´on se muestra la imagen tal como aparece en: http://agaudi.files.wordpress.com/2008/02/07 bromine atoms.jpg
´ Atomos individuales sobre una superficie met´alica. Imagen tal como aparecen en fisica.usach.cl/.../molinaabril2002.htm
Imagen de un ´atomo de Silicio. Imagen tal como se muestra en: rt001adf.en.eresmas.net/.../curso/c01/cap01.html
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Figura 2.19: Imagen de a´tomos sobre una superficie met´alica
Figura 2.20: Imagen de un ´atomo de Silicio
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2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Figura 2.21: Texto de un periodico local
2.4.3.
Materia continua y materia discreta
Los dos conceptos a tratar dentro de esta peque˜ na secci´on no son de manejo f´acil pero vamos a intentar que los comprendas lo m´as posible. Se dice que algo es continuo cuando podemos partirlo tanta veces como queramos. Es decir, que no encontramos separaciones entre una u otra de las partes que resultan de la partici´on. Veamos lo anterior con un ejemplo. Hemos escogido la fotograf´ıa de una secci´on de uno de los peri´odicos de la localidad. En este momento lo vemos como un todo (Figura 2.21). Cada letra, parece estar formada de partes tan peque˜ nas como queramos. Ahora con un programa comenzaremos a aumentar su tama˜ no utilizando la opci´on ((zoom)). Primer zoom: 200 % Como puedes observar, aumento el tama˜ no de las letras (Figura 2.22), y con esto no podemos apreciar el texto tal como se presento en la imagen inicial. Es m´as, sino se conoce el texto inicial, no se puede conocer la frase completa. Podemos seguir aumentando. Segundo zoom: 500 % Con este ((zoom)), las letras parecieran formadas de peque˜ nos cuadros, sin embargo podemos seguir aumentando (Figura 2.23).
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Figura 2.22: Zoom 200 %
Figura 2.23: Zoom 500 %
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Figura 2.24: Zoom 1000 %
Tercer zoom: 1000 % Vemos que la letra ((n)) parece estar formada de peque˜ nos cuadros negros y grises de cierto tama˜ no y, el fondo est´a formado por peque˜ nos cuadros blancos, tambi´en del mismo tama˜ no (Figura 2.24). Hasta el momento no observamos huecos o espacios entre esos peque˜ nos cuadros. Podemos seguir aumentando.
Cuarto zoom: 1500 % Los peque˜ nos cuadros que forman la letra ((n)) son m´as evidentes. Ahora vemos la imagen formada por cuadros, por lo que tiene una estructura diferente a la que vemos sin aumento (Figura 2.25).
Quinto zoom: 2000 % En esta imagen son m´as evidentes los cuadros negros y grises que forman la letra ((n)) y los cuadros blancos y grises que forman el fondo dentro del cual se encuentra la letra ((n)). Vemos una nueva estructura cuya base son los cuadritos negros y grises (Figura 2.26).
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Figura 2.25: Zoom 1500 %
Figura 2.26: Zoom 2000 %
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Figura 2.27: Zoom 2500 %
Sexto zoom: 2500 % Podemos seguir aumentando (Figura 2.27). S´ eptimo zoom: 3000 % Los cuadros se hacen m´as evidentes y podemos observar que hay diferencia neta entre uno y otro. Los cuadros blancos y grises se acercan a los cuadros negros y grises por la derecha y lo m´as importante, en todo el recorrido podemos separar bien cada cuadro. Los cuadros est´an netamente separados los unos de los otros. Se pueden contar (Figura 2.28). El concepto que hay detr´as, en F´ısica, cuando hablamos de que algo es continuo es que no tiene estructura subyacente y podemos seguir dividiendo indefinidamente sin encontrar una estructura subyacente. La materia a nuestra escala parece continua, se puede dividir tantas veces como queramos sin que haya estructura subyacente, pero, al duplicar vemos que est´a formada por bloques llamados mol´eculas. Y estos a su vez formados por ´atomos. En cuando al caso de que la materia sea discreta, este concepto lo hemos visto a distintos ((zoom)) o ((distintas escalas)). En casi todos los zoom presentados, exceptuando los dos primeros, pues, no se aprecia claramente. Vemos una unidad b´asica, ((cuadros)) que parecen ser indivisibles, son la unidad u ´ltima. A esto es que en F´ısica se le llama discreto. Si aplicamos
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2.5. ¿Que aprendiste en esta unidad did´actica?
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Figura 2.28: Zoom 3000 %
esta idea al concepto de carga el´ectrica nos encontramos que la misma es discreta, es decir, se presenta por paquetes indivisibles.
2.5.
¿Que aprendiste en esta unidad did´ actica?
C´omo siempre te hacemos, en esta secci´on, una invitaci´on a reflexionar sobre lo aprendido al leer o discutir con tus compa˜ neros, profesor o profesora. Aprendizaje a sintetizar el saber: Explica con un ejemplo, que una cantidad se conserva, en los espacios en blanco a continuaci´on. Imagina que tienes un recipiente con lentejas y otro recipiente con agua ¿Ser´ıan comparables las lentejas al conjunto de mol´eculas que constituyen el agua? Indica las semejanzas y diferencias. Busca en internet referencias bibliogr´aficas sobre ((los pixeles)) y a partir de la informaci´on que encuentres, responde la siguiente cuesti´on: ((¿Qu´e parte de la materia representan los pixeles, la parte continua o la parte discreta?))
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2.6.
2. Propiedades esenciales de la estructura at´omica de la materia
Evaluaci´ on
Elabora un escrito, m´aximo cinco hojas, donde expliques los conceptos tratados en est´a unidad. En dicho escritos debe demostrar que comprendiste los conceptos tratados, presentando ejemplos de la vida cotidiana que puedes explicar v´ıa lo aprendido en esta unidad.
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