Universidad de Puerto RicoRecinto Universitario de Mayagüez

Departamento de Física

AFAMaC- Ciencias

Residencial de Fin de Semana

NIVEL ELEMENTAL

20 -22 de febrero de 2009

Hotel Holiday Inn

Mayagüez

Dr. José R. López Dr. Pablo Marrero

Dr. Erick Roura

Proyecto AFAMaCResidencial de Fin de Semana

NIVEL ELEMENTAL

Redactado por: Dr. José R. López (UPR-Mayagüez), Dr. José L. Alonso (UPR-Cayey)

Investiguemos el Magnetismo

PreámbuloExplorar el mundo que nos rodea es una actividad natural en los seres humanos. Esta es una acción que vemos acentuada en los niños quienes emplean la curiosidad desde la cuna para explorar su entorno. En el nivel elemental los estudiantes realizan múltiples actividades para descubrir fenómenos asociados con las ciencias. En la mayoría de los casos, esto les permite ir desarrollando sus destrezas de pensamiento y comunicación. Sin embargo, la curiosidad natural de los estudiantes en dicho nivel no necesariamente los lleva a realizar investigaciones sobre la naturaleza afín con la metodología de la ciencia.

Este taller de investigación pretende exponer al maestro en algunos de los conceptos asociados con la naturaleza de las ciencias a través de pequeñas investigaciones apropiadas para el nivel elemental. Esto incluye realizar observaciones, tomar datos, realizar inferencias, controlar una variable, comparar resultados y llegar a una conclusión. En muchas ocasiones se percibe la actividad del científico como una atada al llamado método científico. Pero los científicos no siguen necesariamente un orden particular para realizar una investigación. Lo que les caracteriza es el uso de observaciones cuantitativas y el uso de un pensamiento lógico, para inquirir sobre la naturaleza.

En este manual presentamos un conjunto de actividades de física para ilustrar algunos procesos de la ciencia. Hemos escogido el tema de magnetismo ya que es uno de gran interés para los estudiantes y permite desarrollar ejemplos de lo que es una investigación descriptiva.

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Investiguemos el Magnetismo

TrasfondoEl magnetismo es uno de los fenómenos más antiguos de la ciencia. Hace más de 2,500 anos, nuestros antepasados identificaron rocas que poseían un poder de atracción hacia el hierro, en la región de Magnesia en Grecia. Esta roca, llamada magnetita, se puede encontrar en otras partes del mundo. Una de las características de este mineral era que si se suspendía libremente por un hilo, este siempre se orientaba en el sentido norte-sur. Esto llevó a la invención de la brújula en China hace 2,000 años.

El magnetismo lo relacionamos con los imanes y otros objetos que producen un campo magnético. Podemos identificar en un imán dos sectores, llamados polo norte y polo sur respectivamente, para los cuales la fuerza magnética es mas intensa. Si acercamos dos extremos que posean la misma polaridad, éstos se repelen. Sin embargo, si acercamos polos opuestos se observa atracción.

Algunos materiales, como el hierro, el cobalto y el níquel, pueden retener sus propiedades magnéticas por largo tiempo. Otros materiales pueden ser magnetizados de forma temporera cuando los acercarlos a un imán. En el 1820, Oersted demostró que una corriente eléctrica era fuente de campo magnético. Esto nos lleva al principio del electroimán y del motor eléctrico.

Estándares de Contenido y Expectativa de Grado

Cuarto Grado

NC 4.3 Diseña y realiza investigaciones sencillas por medio de la utilización de la metodología científica, haciendo énfasis en la identificación, el control y la manipulación de variables.

NC 4.4 Utiliza instrumentos y equipo científico para medir las propiedades de la materia

NC 4.8 Valora y muestra colaboración y aprecio por el trabajo científicoNC 4.10 Utiliza distintos métodos e instrumentos de orientación.

EM 4.4 Reconoce la necesidad de determinar las propiedades físicas de la materia para describirla adecuadamente.

Quinto Grado

NC 5.1 Aplica la metodología científica en experiencias de investigaciónNC 5.2 Reconoce que la metodología científica ofrece unas herramientas para el

desarrollo del pensamiento crítico y para la solución de problemas.

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NC 5.3 Emplea prácticas seguras en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo de laboratorio.

I 5.1 Reconoce que hay fuerzas que actúan cuando existe contacto entre los objetos y otras que actúan a distancia.

Sexto Grado

NC 6.1 Sugiere, diseña y realiza nuevos trabajos de investigación basados en las experiencias adquiridas en la sala de clase.

NC 6.3 Emplea prácticas seguras en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo de laboratorio.

E 6.4 Explica oralmente y por escrito la relación entre electricidad y magnetismo.

I 6.7 Identifica y describe interacciones magnéticas y eléctricas.

Ideas Fundamentales sobre MagnetismoIdeas Fundamentales sobre Magnetismo

1. El magnetismo es una propiedad intrínseca de la materia. Hay partículas fundamentales como por ejemplo el electrón que poseen momento dipolar magnético.

2. La interacción electromagnética es una de las interacciones fundamentales de la naturaleza.

3. Existen dos tipos de fuerza o interacción magnética, atracción y repulsión.

4. Hay dos tipos de polos magnéticos, norte magnético y sur magnético.

5. Los polos magnéticos interaccionan. La interacción o fuerza magnética entre polosmagnéticos iguales es de repulsión y entre polos distintos es de atracción.

6. La unidad básica de magnetismo es el dipolo magnético. No se ha encontrado al presente un solo polo magnético aislado. Siempre se han encontrado ambos juntos.

7. Los imanes atraen materiales ferromagnéticos como por ejemplo el hierro. Otros materiales ferromagnéticos son el níquel y el cobalto.

8. Los polos magnéticos producen un campo magnético. El campo magnético se puede representar geométricamente por unas líneas llamadas de fuerza las cuales nos brindaninformación acerca de la intensidad del campo magnético así como de su dirección. Laproximidad de las líneas nos indican la intensidad y la orientación nos indican ladirección. Si están muy juntas indican que el campo es intenso y viceversa. La direcciónse obtiene dibujando una línea tangente a las líneas del campo en el lugar donde sedesea determinar la dirección.

9. El planeta Tierra posee un campo magnético. El polo norte de ese campo magnético se encuentra cerca del polo sur geográfico del planeta mientras que el polo sur magnético se encuentra cerca del polo norte magnético del planeta.

10.Las corrientes eléctricas producen campos magnéticos.

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11.Los campos magnéticos ejercen fuerza sobre las corrientes eléctricas. Esto da lugar al diseño y construcción de motores electromagnéticos. Estos son los motores en casitodos los enseres eléctricos que usamos en el hogar, lavadoras, neveras, secadoras,abanicos, etc.

12.Un campo magnético variable produce electricidad. Este principio descubierto por Michael Faraday da lugar al diseño y construcción de generadores eléctricos. Este principio es el que se usa en la producción de energía eléctrica en las plantas llamadas termoeléctricas, hidroeléctricas y en la generación eólica.

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Actividad: 1Actividad: 1¿De dónde surgió el primer imán? ¿De dónde surgió el primer imán?

Introducción:Los antiguos notaron que habían ciertas rocas que tenían la propiedad de atraer algunos objetos. En la mitología china y en la griega se menciona una roca mágica. ¿Cómo son estas rocas? ¿Qué forma tienen estas rocas? ¿Qué tienen estas rocas de especial?

La palabra magnetismo proviene de una región de Asia Menor llamada Magnesia.

Objetivo:Observar las características de ciertas rocas.

Materiales:GrapasRocas

Procedimiento:

1. Ponga varias grapas sobre la mesa, acérquele las rocas. ¿Qué observó?

2. Si alguna de las rocas suministradas tiene un comportamiento diferente, haga un dibujo de ésta y anote las características de la roca. ¿Qué diferencia hay con las otras rocas suministradas?

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Actividad: 2Actividad: 2¿Qué materiales puede atraer un imán?¿Qué materiales puede atraer un imán?

Materiales:

Imán de barra permanente Bolsa plásticaTrozo de madera Pedazo de StyrofoamPedazo de papel aluminio Clavo de hierroPresillas metálicas Papel blancoTiza Tapa de metalRoca LiguillaTela VelaPlásticoMonedas (de 1, 5, 10 y 25 cent.)Vaso de cristal

Procedimiento:1. Coloque los objetos sobre una mesa.2. Usando el imán de barra permanente trate de levantar los objetos

mencionados.3. Complete la siguiente tabla.

Objetos que responden al

imán

Objetos que no responden al

imán

Resultados:

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1. ¿Qué tienen en común todos los objetos que responden a la barra de imán?

2. ¿Tienen algo en común los objetos que no responden a la barra de imán? Explique.

3. Los materiales que responden a la barra de imán se llaman magnéticos y los que no, se llaman no magnéticos.

Actividad: 3Actividad: 3¿Qué sucede cuando un imán flota libremente?¿Qué sucede cuando un imán flota libremente?

Materiales:

8

Imán de barra Pedazo de maderaSoporte para colgar el imánCordónLiguilla

Procedimiento:1. Coloque una liguilla en cada extremo del imán (déle varias vueltas para

apretarla).2. Amarre un pedazo de hilo de liguilla a liguilla, de forma que pueda colgar

el imán como si fuera un cuadro.3. Cuelgue el

imán de forma que éste pueda girar libremente. Una forma de

lograrlo es colocar un

palo

horizontalmente y amarar el imán en algún punto.

4. ¿Hacia donde se orienta la barra de imán? Explique y haga un dibujo de la barra orientada.

5. Amarre (igual que hizo con el imán) un pedazo de madera o un lápiz y cuélguelo del soporte. ¿Hacia dónde se orienta?

6. Compare la orientación que tiene su imán y el pedazo de madera con la de otros compañeros.

Conclusión:

Usando los resultados obtenidos, ¿qué puede concluir?

9

Actividad: 4Actividad: 4¿Por qué el imán se orienta?

IntroducciónEn las tres actividades anteriores observamos que si un imán se deja girar libremente este se orienta de forma tal que uno de sus polos (llamado por eso polo norte del imán) se orienta apuntando aproximadamente hacia el polo norte geográfico de la Tierra. ¿por que ocurre esto? ¿Será igual en todos los lugares del planeta? Si la respuesta a la última pregunta es en la afirmativa (ya que los viajeros se han aprovechado de este hecho para orientarse en sus viajes)¿qué podrá sugerir esto en cuanto al planeta Tierra se refiere?

Procedimiento

1. Observa el modelo que te muestra tu maestra o maestro.

2. Partiendo del hecho de que los polos opuestos se atraen y de que el polo norte del imán apunta aproximadamente al polo norte geográfico del planeta Tierra, ¿cuál será la polaridad de ese polo del ‘imán’ de la Tierra?

3. Dibújelas en el diagrama de abajo

Conclusiones

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Actividad: 5Actividad: 5¿Cómo funciona una brújula?¿Cómo funciona una brújula?

Introducción:Una brújula es una barra de imán que puede girar libremente. ¿Qué pasa cuando se acerca un imán a una brújula? ¿Qué pasa cuando se acerca un objeto cualquiera?

Objetivo: Estudiar el comportamiento de la brújula en relación a otros imanes y a cualquier cuerpo en general.

Materiales: BrújulaEstuche de imanesObjetos

Procedimiento:1. Tome la brújula y colóquela sobre la mesa. Dibuje la brújula.

2. Seleccione algunos imanes del estuche y acérquelos a la brújula, ¿qué observa?

3. ¿Qué puede decir de la polaridad de los imanes con relación a la polaridad de la brújula?

4. Ahora seleccione algunos objetos de la bolsa Ziploc, ¿la brújula responde?

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Actividad: 6Actividad: 6Construye tu propia brújulaConstruye tu propia brújula

Materiales:1 aguja1 bola pequeña de Styrofoam (o un pedazo de corcho)1 vaso con agua1 imán de barra

Procedimiento:

1. Frote la aguja treinta veces contra el imán de barra en una misma dirección.

2. Perfore la bola de Styrofoam en el centro con la aguja.

3. Coloque la bola de Styrofoam con la aguja dentro del vaso con agua.

4. ¿En qué dirección se orienta la aguja?

5. ¿Qué sucede cuando le acerca una barra de imán a su brújula?

Conclusión:

¿Qué puede concluir de sus observaciones?

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Actividad: 7Actividad: 7¿Qué materiales puede atravesar el magnetismo?¿Qué materiales puede atravesar el magnetismo?

Objetivo:Determinar que materiales atraviesa el magnetismo.

Materiales:

Imán de barra permanente Pedazo de telaBrújula Bolsa plásticaTrozo de madera CartónPedazo de Styrofoam Papel o libretaPedazo de papel aluminio OtrosRecipiente plástico con tapa

Procedimiento:1. Un compañero sostiene el pedazo del material que podremos a

prueba. 2. Otro compañero sostiene el Imán a un lado de la muestra y un tercer

compañero sostiene la brújula al otro lado de la muestra.

3. Sin mover el imán, determine si la brújula responde a la presencia del imán.

4. Mueva el imán con un giro (observando la brújula en todo momento).

5. ¿Qué sucede?

6. ¿Qué puede decir acerca de lo que sucedió?

7. Invierta el imán y repita el paso 4.

8. ¿Qué sucede?

9. ¿Qué puede decir acerca de lo que sucedió?

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S N

10. Repita con otros materiales

Conclusiones:\¿ Qué puede concluir acerca de sus observaciones?

Actividad: 8Actividad: 8¿Qué sucede cuando se le acerca una barra de imán ¿Qué sucede cuando se le acerca una barra de imán a otra barra de imán?a otra barra de imán?

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Material Respuesta de la Brújula

Materiales:2 barras de imán

Procedimiento:

1. Acerque el extremo norte de la barra magnética 1 al extremo norte de la barra magnética 2 como se muestra en la figura anterior. ¿Qué se observa?

2. Acerque el extremo norte de la barra magnética 1 al extremo sur de la barra magnética 2 como se muestra en la figura anterior. ¿Qué se observa?

3. Acerque el extremo norte de la barra magnética 2 al extremo norte de la barra magnética 1. ¿Qué se observa?

4. Acerque el extremo norte de la barra magnética 2 al extremo sur de la barra magnética 1. ¿Qué se observa?

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1

2

S N

12S N SN

21S N S N

5. Tome la barra magnética 1 y pásela por encima de la barra magnética 2. ¿Qué sensación experimenta su mano?

6. Tome la barra magnética 2 y pásela por encima de la barra magnética 1. ¿Qué sensación experimenta su mano?

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2

1

S N

Actividad: Actividad: 9El poder de la fuerza magnéticaEl poder de la fuerza magnética

Materiales:Estuche magnético

Procedimiento:

1. Usando los imanes que tienen un agujero en el centro, tubo plástico y la base metálica monte la figura que se muestra a continuación.

2. ¿Por qué puede usted lograr esto? Explique.

3. Determine la polaridad de cada imán a partir del montaje que usted hizo.

Actividad: 10Actividad: 10

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¿Cómo son las líneas de fuerza magnética?¿Cómo son las líneas de fuerza magnética?

Objetivo:Visualizar las líneas de fuerza magnética.

Materiales:limadura de hierroestuche magnético1 hoja de papel en blanco (o una transparencia)

Procedimiento:1. Seleccione tres imanes diferentes del estuche magnético.2. Coloque la hoja de papel (o transparencia) sobre el imán como se

muestra en la figura.

3. Rocíe limadura de hierro sobre el papel.4. Dibuje las líneas de fuerza que se observan.5. Usando los imanes del estuche, repita el mismo procedimiento, pero

esta vez usando la limadura provista en el estuche.6. Dibuje las líneas de fuerza que se observan en cada caso.

Resultados:A partir de sus observaciones, determine la región donde el magnetismo es más intenso y menos intenso.

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Hoja de papel

Actividad: 11Actividad: 11¿Cuál es la polaridad del imán?¿Cuál es la polaridad del imán?

Objetivo:Determinar los polos del imán.

Materiales:Estuche magnético

Procedimiento:Identifique los polos de un imán del estuche magnético. Describa el método utilizado y haga un dibujo del mismo.

Actividad: 12Actividad: 12¿Qué parte de la barra del imán es más fuerte?¿Qué parte de la barra del imán es más fuerte?

Objetivo:Explorar la barra de imán.

Materiales:Barra de imánPresillas

Procedimiento:1. Tome la barra de imán y pase sobre ella una presilla de un extremo a

otro.2. ¿Qué observa cuando la presilla pasa por los extremos?

3. ¿Qué observa cuando la presilla está justo en el centro?

4. ¿Cómo compara la observación en cada extremo?

Conclusiones:¿Qué puede concluir de sus observaciones?

Actividad: 13Actividad: 13¿Cómo afecta la corriente eléctrica a la brújula?¿Cómo afecta la corriente eléctrica a la brújula?

Materiales:

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brújula

bateríaS N

EW

BrújulaBateríaCable esmaltado (rojo)

Procedimiento:

1. Enrolle (varias vueltas) una brújula con un alambre como se muestra en la figura. Antes de conectar la batería, observe la dirección de la brújula.

2. Conecte la batería, ¿qué le sucedió con la dirección de la aguja de la brújula?

3. Invierta la polaridad de la batería, ¿qué sucede con la dirección de la aguja de la brújula?

Conclusiones:

1. ¿Qué puedes concluir acerca de tus observaciones del comportamiento de la corriente eléctrica?

Actividad: 14Actividad: 14Construye tu propio imánConstruye tu propio imán

Materiales:

1 bateríacable esmaltado (rojo)presillasclavo de hierro

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Procedimiento:

1. Monte el sistema que se muestra en la figura usando el número de vueltas determinado por el profesor.

2. Determine el número máximo de presillas que puede levantar.3. Complete la siguiente tabla usando los resultados obtenidos:

Vueltas Presillas

10

20

30

Conclusiones:

1. ¿Qué puede concluir a partir de los resultados obtenidos en la tabla?

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