UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

INSTITUTO DE FISICA

Nombre de la asignatura: Descubriendo la Fsica Cdigo: IFI-100

Semestre lectivo: Cursos nivelatorios Curso bsico: S.

Curso terico prctico: Si Pre-requisitos: Ninguno

Nmero de crditos: 4 Co-requisitos: Ninguno

Nmero de horas/semestre: 64 Nmero de horas/semana: 4

Esta asignatura es: No habilitable, No validable Semestre: 2013-1

Coordinador: Jaime Arturo Vlez Pardo

1. PROGRAMA DIRIGIDO A:

Estudiantes de primer semestre de todos los programas de Ingeniera.

El enfoque curricular es de inters cognitivo tcnico

2. FUNDAMENTACIN CURRICULAR

A. DESCRIPCIN SOCIOCULTURAL Y LOGSTICA

Los estudiantes del curso, acaban de ingrasar a la Universidad de Antioquia, entidad de carcter pblico,

con aproximadamente 36.000 estudiantes mayormente clasificados en los estratos socio-econmicos 1,2 y

3, son en su mayora egresados de colegios pblicos de la ciudad de Medelln y su rea metropolitana. La

matrcula en el curso es de aproximadamente 1200 estudiantes/semestre, distribuidos en grupos de mximo

35 estudiantes, para permitir interacciones dialgicas entre estudiantes y con el profesor en todas las clases

del curso. El nmero de docentes del curso es de 20 profesores de ctedra y 2 de tiempo completo, uno de

los cuales es el coordinador del curso, cuya funcin es supervisar el buen desarrollo de las actividades,

acordar con los docentes las preguntas y problemas que conforman la evaluacin sumativa (exmenes par-

ciales y quices), asegurndose que sea exactamente la misma para todos los grupos, y administrar la plata-

forma tecnolgica.

B. DESCRIPCIN PSICOPEDAGGICA

La Teora del Cambio Conceptual y la Teora del Aprendizaje Significativo.

La teora del cambio conceptual en la enseanza de las ciencias, est basada en el hecho de que desde la

mas tierna infancia, -pocos meses despus de nacidos-, los seres humanos construyen ideas, conceptos, y

teoras sobre el funcionamiento del mundo que los rodea, a partir de la experiencia sensorial, y estos se

arraigan formando una epistemologa personal. El aprendizaje de las nociones cientficas se logra mediante

el cambio o modificacin de estas teoras personales como resultado de confrontarlas con el experimento

y/o con teoras alternativas. Los pre-conceptos y estas pre-teoras personales son conocimientos previos no

triviales que deben ser tenidos muy en cuenta en el proceso de aprendizaje, debido a que constituyen casi

siempre un obstculo para el descubrimiento, construccin o aceptacin, de las teoras cientficamente v-

lidas respecto al funcionamiento del mundo. El aprendizaje significativo se d al examinar estas teoras

previas o pre-teoras, hacindolas conscientes por medio del dalogo, y contrastarlas con nueva informa-

cin presentada y discutida en clase entre estudiantes y profesor, con el objeto de construir nuevas teoras

que permitan la comprensin acertada de los fenmenos fsicos.

C. DESCRIPCIN EPISTEMOLGICA

Las teoras de Karl Popper, Imre Lakatos y Thomas Kuhn

Una estrategia posible es el estudio y desarrollo de predicciones basadas en estas pre-teorias que eventual-

mente llevan a conclusiones errneas, generando conflictos y llevando a la falsacin de estas pre-teorias.

Otra, es la identificacin y el cambio de paradigmas y su uso en la elaboracin de nuevas teoras que res-

ponden adecuadamente a la descripcin y prediccin de los fenmenos.

NOTA:

Respecto a estos dos ltimos puntos resulta iluminador el artculo de Moreira y Greca: Cambio conceptual: Anlisis

crtico y propuestas a la luz del aprendizaje significativo. En http://www.if.ufrgs.br/~moreira/cambioconceptual.pdf consultado el 24 de Diciembre 2010.

Un aspecto fundamental de este enfoque es mostrar al estudiante el carcter provisional de toda teora cientfica e ilus-

trarle el proceso dinmico de refundacin terica de las ciencias naturales.

JUSTIFICACION DEL CURSO EN EL PROGRAMA

Los conceptos de la Fsica estn involucrados en mltiples desarrollos tecnolgicos en los cuales los ingenieros asumen un

papel protagnico. Comprender la estructura conceptual de la Fsica y su potencial aplicabilidad puede llevar al estudiante a

asimilar mejor los conceptos especficos tratados en los cursos de nivel superior, tanto en el rea de ciencias bsicas como en

el rea profesionalizante. Adems, cuando el estudiante ve la Fsica en los desarrollos tecnolgicos de su cotidianidad, la sien-

te ms cercana y se motiva a estudiarla.

2. OBJETIVOS

2.1 GENERALES

- Mostar al estudiante, mediante el estudio de casos, que la naturaleza y los objetos que nos rodean funcionan acor-

de a un nmero pequeo de principios, leyes y teoras.

- Lograr que el estudiante comprenda los conceptos fundamentales de la Fsica, elaborndolos a partir de confrontar

sus teoras previas o pre- teoras y pre-conceptos con experimentos y teoras cientficas.

- Lograr que el estudiante comprenda que la Fsica hace parte importante en el diseo de aparatos, instrumentos y

dispositivos, y que el funcionamiento de estos es comprensible mediante el uso de la razn y de los conceptos.

- Motivar al estudiante a abordar con gusto y seriedad los cursos de Fsica de su carrera

2.2 ESPECIFICOS

Al terminar el curso el estudiante estar en capacidad de manera introductoria de:

a- Identificar y entender las leyes de Newton. b- Conocer el concepto de trabajo y energa. c- Identificar los principios de la dinmica de rotacin. d- Conocer los procesos de transferencia de calor y las leyes de la termodinmica. e- Identificar los slidos, lquidos y gases como sistemas de partculas sujetos a interacciones. f- Conocer las nociones de campo gravitacional, elctrico y magntico. g- Identificar las interacciones entre campos y partculas.

h- Conocer el concepto de onda mecnica y electromagnetica. i- Identificar las nociones fundamentales de la estructura atmica y emision/ absorcin de la radiacin. j- Conocer las nociones fundamentales de la relatividad, de la mecnica cuntica y algunas de sus aplica-

ciones.

k- Conocer algunas nociones de la cosmologa. l- Mostrar inters por la fsica, y la ciencia en general como ingeniero en formacin.

3. CONTENIDO POR UNIDADES

UNIDAD TITULO DE LA UNIDAD HORAS

1 La Mecnica 24

2 Movimiento peridico y Ondas 6

3 La Termodinmica 10

4 Electricidad y Magnetismo 12

5 Fsica Moderna 4

4. METODOLOGIA

El curso es un acercamiento no convencional a la fsica, que analiza aparatos, instrumentos y dispositivos, y explica como funcio-

nan y qu los hace funcionar. Est diseado para que los estudiantes encuentren conexiones entre la ciencia , el mundo en que viven

y los objetos que los rodean, desarrollando inters por la fsica y comprendiendo su importancia en el diseo de objetos y mquinas.

La metodologa a seguir en el curso requiere la participacin activa del estudiante con el fin de que efectivamente se cumplan los

objetivos propuestos, por lo que se requiere la asistencia de los estudiantes a las sesiones de clase. En estas se realizar:

a) Exposicin de los temas por parte del profesor, apoyndose en la proyeccin de pelculas, simulaciones por computador y prcticas demostrativas, suscitando discusiones y preguntas por parte de los estudiantes, de tal forma que estos participen en

la identificacin de los conceptos y la explicacin de los fenmenos.

b) Discusin y estudio detallado de los temas tratados en clase, realizados por los estudiantes, incluyendo el anlisis de ejemplos y la solucin de ejercicios. (Quices conceptuales)

c) Lectura y discusin de textos recomendados por el profesor.

d) Asesora al estudiante por parte del profesor del curso.

5. MEDIACIONES

El curso se basa en una serie de conferencias preparadas en Power Point, que incluyen videos seleccionados de You Tube, simu-

laciones de Phet (Universidad del Colorado) y quices conceptuales pertinentes al tema de cada una de las clases.

Estas estn disponibles como archivos PDF, junto con otro material pertinente a cada leccin, (Lecturas adicionales, videos, acti-

vidades web), en el sistema de administracin de cursos de la Universidad. (Moodle). Este sistema tambin es usado por los es-

tudiantes en el proceso de evaluacin del curso para la presentacin de quices y tareas.

6. EVALUACION

Cuatro exmenes de una hora de duracin del 20% cada uno y 20% de seguimiento usando la plataforma Moodle (10% en ta-

reas y 10% quices, uno de cada uno antes de cada prueba parcial).

Primera Prueba Abril 22 Lunes Lecciones 1 a 5

Segunda Prueba Mayo 27 Lunes Lecciones 7 a 11

Tercera Prueba Julio 8 Lunes Lecciones 12 a 16

Cuarta Prueba Julio 31 Mircoles Lecciones 16 a 22

7. BIBLIOGRAFIA

TEXTO: Fsica Conceptual. Paul Hewitt

How things work. Louis A. Bloomfield.

Fsica Conceptual. Guillermo Pineda G.

Fsica Bsica. Fundamentos y Perspectivas. Jae R. Ballif y William E. Dibble

Fsica. E. Hecht.

8. CONCLUSIONES

El carcter masivo de la admisin de estudiantes a la Facultad de Ingeniera, la diversidad de instituciones de formacin secundaria

de las que provienen y el muy escaso cumplimiento de los estndares propuestos por el Ministerio de Educacin, han llevado a la

Universidad a la elaboracin de un curso introductorio de Fsica para estudiantes de Ingenieras, que permita a los estudiantes com-

prender que aprender es comprender, que a partir de sus ideas y conceptos previos respecto al funcionamiento del mundo les permi-

ta construir teoras cientficas y comprender tanto su proceso de construccin como las diferentes predicciones que estas realizan y

como se contrastan con las realizadas por sus teoras previas construidas a partir de su experiencia sensorial, que los familiarice con

los conceptos de la mecnica, la termodinmica, el electromagnetismo y la fsica moderna de una manera simple y que los prepare y

motive para la secuencia de cursos basados en Clculo requeridos en su formacin como Ingenieros.

En ste proceso las TICs cumplen un papel fundamental en hacer homogneos, tanto en contenido como en evaluacin los diferen-

tes grupos de estudiantes, (usualmente 35 por saln), de tal forma que las experiencias vividas en el aula y la evaluacin a la que se

someten sean equivalentes, pertinentes y equitativas.

9. APENDICE 1 PROGRAMA PARCELADO POR CLASES

UNIDAD 1: LA MECANICA

TEMA TEMAS FECHA

0 Presentacin del curso: propsito, objetivos, contenidos, metodologas, evaluacin. 03-18

1

Dnde? Cundo? Cmo?

Posicin, desplazamiento, velocidad promedio, velocidad instantnea, aceleracin Grficos x vs. t, v vs. t y a

vs t. pendiente y rea bajo una curva, conceptos de derivada e integral.

03-20

04-01

2 EL PATINAJE 2. Inercia,Masa inercial, , fuerza, masa, primera y segunda leyes de Newton, vectores y operaciones entre ellos.

Representaciones:grfica, polar y en componentes, unidades. cantidad de movimiento, la fuerza como cau-

sante del cambio en la cantidad de movimiento, impulso lineal. Conservacin del momentum lineal, sistema

de varias partculas (2) y tercera ley de Newton.

04-03

04-08

3 ACELERANDO Movimiento bajo la accin de una fuerza constante.Grficos. Experimento de anlisis de video con acelera-

ciones positiva y negativa.

04-10

4

La Cada de los Cuerpos.

Gravitacin universal, Ley de gravedad, satlites, gravitacin en cercanias de la superficie terrestre, peso,

cada libre, representacin grfica y ecuaciones de cada libre, movimiento de un proyectil.

04-15

5

Las Rampas.

Fuerza neta, diagramas de cuerpo libre, tercera ley de Newton, energa, trabajo, conservacin de la energa,

energa potencial, rampas, ventaja mecnica.

04-17

TALLER 04-22

7 El Mataculin. Inercia rotacional, torque, velocidad angular, aceleracin angular, rotacin y las leyes de Newton, centro de

masa, palancas.

04-24

8

La Rueda.

Friccin, energa trmica, ruedas, balineras, energa cintica de rotacin, momento angular, impulso angular,

conservacin del momento angular, rotacin y tercera ley de Newton, energa potencial y aceleracin..

04-29

9 La Balanza de Resorte. Equilibrio, equilibrio estable, ley de Hooke, oscilaciones, calibracin, centro de gravedad.

05-06

10 Los Choques entre Objetos. Colisiones, transferencia de energa. Vibraciones, colisiones elsticas e inelsticas.

05-08

11 El Carrusel y la Montaa Rusa. La aceleracin percibida, el movimiento circular uniforme, aceleracin centrpeta.

05-15

Taller sobre dinmica de rotacin y temas avanzados de dinmica de translacin. 05-20

UNIDAD 2: LA TERMODINAMICA

SESION TEMAS FECHA

12 La Estufa de Carbn. Energa trmica, calor, temperatura, enlaces qumicos y reacciones, conductividad trmica, conveccin, ra-

diacin, capacidad calorfica.

05-22

13 Agua, Hielo, Vapor. Fases de la materia, transiciones de fase, fusin, evaporacin, condensacin, solidificacin, humedad relati-

05-27

va, calores latentes de fusin y evaporacin, deposicin, hervor, nucleacin y supercalentamiento.

14 Los Bombillos Incandescentes y los tubos fluorescentes. Espectro electromagntico, la luz, radiacin de cuerpo negro, emisividad, ley de Stefan-Boltzmann, expan-

sin trmica, descargas en gases, estructura atmica y emisin , transiciones radiativas, la constante de

Planck, fluorescencia.

05-29

15 El Aire Acondicionado.

Las leyes de la termodinmica, temperatura, calor, entropa, bombas trmicas y eficiencia termodinmica.

06-05

16 El Automvil Mquinas trmicas y eficiencia termodinmica

06-12

TALLER DE ONDAS Y TERMODINMICA 06-17

UNIDAD 3: MOVIMIENTO PERIODICO Y ONDAS

SESION TEMAS FECHA

17 Los Relojes El tiempo y el espacio, resonancia natural, el oscilador armnico, movimiento armnico simple, frecuencia.

06-19

18 Los Instrumentos Musicales El sonido, la msica, ondas en una cuerda, en aire y en superficies, modos de vibracin, armnicos, resonan-

cias, ondas estacionarias y ondas viajeras, ondas longitudinales y transversas, velocidad, frecuencia y longi-

tud de onda en ondas mecnicas, superposicin, efecto Doppler.

07-08

UNIDAD 4: ELECTROMAGNETISMO

SESION TEMAS FECHA

19 La Electricidad Esttica y La Mquina Fotocopiadora. Carga elctrica, fuerzas electrostticas, ley de Coulomb, energa potencial electrosttica, voltaje, carga por

contacto, polarizacin, conductores y aislantes.

Campo elctrico y gradiente del potencial, relacin entre forma y campo, descargas, corriente elctrica, di-

reccin del flujo de corriente, carga por induccin.

07-10

20 Linternas. Circuitos elctricos, resistencia elctrica, cadas y elevaciones de voltaje, relaciones entre voltaje, corriente y

potencia, ley de Ohm.

07-15

21 Imanes Polos magnticos, fuerza magnetosttica, campos magnticos, ferromagnetismo, polarizacin magntica,

dominios magnticos, materiales magnticos, lneas de flujo magntico, relacin entre corrientes y campos

magnticos

07-17

22 Generadores de Electricidad, Motores, Distribucin de Potencia Elctrica. Superconductividad, corriente directa y alterna, induccin, transformadores, energa en el campo magntico,

relaciones entre campos magnticos variables y y campo elctrico, fuerza electromagntica inducida, ley de

Lenz , seguridad elctrica., fuerzas electromagnticas, energa y trabajo, fuerza de Lorenz.

07-22

La Radio. Energa del campo elctrico, relacin entre campos elctricos y magnticos variables, circuitos tanque, la

velocidad de la luz, polarizacin, modulacin de amplitud, modulacin de frecuencia, ancho de banda.

El Horno Microondas. Ondas electromagnticas: velocidad, frecuencia y longitud de onda, molculas polares y no polares, el mag-

netrn.

Taller de Ondas y Electromagnetismo

07-24

UNIDAD 5: FISICA MODERNA

SESION TEMAS FECHA

Adaptadores de Voltaje. Fsica cuntica, dualidad onda- partcula, principio de exclusin de Pauli, estructura de bandas, nivel de

Fermi, metales, aislantes y semiconductores, la juntura p-n, diodos, condensadores.

Lasers y LEDs Luz coherente e incoherente, emisin espontnea y estimulada, inversin de poblacin, amplificacin lser,

difraccin, seguridad con lseres.

Armas Nucleares. Estructura nuclear, istopos, radioactividad, principio de incertidumbre, efecto tnel, vida media, desintegra-

cin alfa, fisin, reaccin en cadena, fusin, la transmutacin de los elementos, la explosin de una bomba

A.

.Imgenes mdicas y radiacin.

Rayos X, Gamma, Fluorescencia de Rayos X, Efecto fotoelectrico, efecto Compton, decaimiento beta, acele-

radores y resonancia magntica