conceptos introductorios electricidad

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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 ´ ultimo, 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. 7

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Unidad didáctica en fase experimental sobre conceptos introductorios de electricidad.

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Page 1: Conceptos introductorios electricidad

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¿De que estamos hechos?

En esta primera unidad estaremos centrados, en darte a conocer como elhombre construyo explicaciones a partir de modelos que intentaban respondera preguntas como: ¿De que estamos hechos? ¿De que estan hechas las cosas?Construir modelos para dar respuestas a dichas preguntas implico muchotiempo (siglos) y trabajo. Te puedes preguntar, ¿que tiene que ver lo anteriorcon la electricidad? Tiene mucho que ver, pues, la electricidad, como tal,se desarrollo en un contexto historico, cultural, social, polıtico, economico,cientıfico, etc., con un concepto fundamental que sirvio de eje unificador:la carga electrica. Y para conocer las caracterısticas de la carga electrica(sus propiedades) es necesario conocer la constitucion de las cosas a nivelmicrometrico (a escalas o tamanos inmensamente pequenos). ¿Como seconstruyeron las explicaciones de los fenomenos electricos naturales? Dediversas formas y es necesario que las conozcas, no en detalle, sino sus partesesenciales para que comprendas la naturaleza, el sentido y la evolucion delconcepto electricidad. Por ultimo, debes tener presente que el desarrollo dela electricidad y sus aplicaciones, como, por ejemplo, el uso de la energıaelectrica ha sido fundamental en lo que a la mejora de nuestra calidad devida se refiere, y si no lo crees, te invitamos a que imagines tu vida, tal comoes, sin la electricidad y sin energıa electrica en tu casa.

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Page 2: Conceptos introductorios electricidad

8 1. ¿De que estamos hechos?

1.1. ¿Que sabes sobre la constitucion de la

materia (personas o cosas)?

Las cuestiones a continuacion tienen como finalidad que expreses de formabreve y clara lo que sabes o piensas sobre la constitucion de la materia.No esperamos que respondas de forma correcta desde la Fısica, debes,simplemente, expresar lo que sabes o piensas al respecto. Contrasta tusrespuestas con las de tus companeros.

¿De que estamos hechos? ¿De que estan hechas las cosas?

¿Descubrio el hombre de que estamos hechos o de que estan hechas lascosas?

¿Como piensas que la humanidad encontro respuestas a las preguntasanteriores?

Hacia el desarrollo de la Ensenanza de la Fısica en Panama

Page 3: Conceptos introductorios electricidad

1.2. Lo que debes comprender, conocer y saber hacer 9

1.2. Lo que debes comprender, conocer y

saber hacer

Siempre ante una nueva tarea o proceso de aprendizaje es necesario quetengas claro lo que se espera que logres. En consecuencia, ante lo planteadohasta el momento, responde las siguientes cuestiones:

Describe de forma breve y clara, lo que te hemos dicho que vamos aestudiar.

¿Que piensas que necesitas aprender, en funcion de tus debilidades yfortalezas, para hacer frente o centrarte de forma adecuada en el estudiode este tema?

Tus respuestas a las cuestiones anteriores, nos permitiran establecerclaramente en que podemos apoyarte para que logres comprender y conocersobre el tema. Por lo pronto, esperamos que al finalizar el estudio de estaunidad:

Seas capaz de describir compresivamente, de forma verbal o escrita, laevolucion de las principales ideas que estan a la base de los distintos modelosexplicativos de la estructura atomica de la materia.

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Page 4: Conceptos introductorios electricidad

10 1. ¿De que estamos hechos?

1.3. Algunas estrategias para aprender a

aprender

Inicias el estudio de un nuevo e interesante tema, eso requiere de tu parteinteres, trabajo y responsabilidad, pero, ademas, es muy importante que:

Nunca consideres el estudio como una obligacion, sino como unaoportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.

ALBERT EINSTEIN

Para lograr construir conocimiento sobre el tema de esta unidad didacticaes importante que:

1. Leas individualmente.

2. Identifiques en la lectura:

las ideas principales.

las formas de construir explicaciones o posibles respuestas a las doscuestiones principales de esta unidad didactica.

las similitudes y diferencias entre una explicacion y otra.

La construccion de un mapa conceptual te ayudarıa a comprender ymanejar las ideas principales del tema.

Por ultimo, es importante que tengas claro que solo te estamosaconsejando sobre la mejor forma de estudiar. No te estamos asignando tareasy deberes.

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Page 5: Conceptos introductorios electricidad

1.4. Nuevos conocimientos 11

1.4. Nuevos conocimientos

En esta seccion te presentamos nuevos y distintos conocimientos sobrecomo llego el hombre a construir explicaciones sobre la constitucion de lamateria. Este nuevo conocimiento, es presentado a traves de un conjuntode actividades dirigidas a facilitarte su aprendizaje, comprension y suconstruccion.

1.4.1. Algunas de las primeras explicaciones (modelos)sobre la constitucion de la materia

En un primer momento, los hombres, construıan explicaciones mıticasde los fenomenos naturales que le interesaban. Luego pasaron a construirexplicaciones, sobre lo que les interesaba, sustentadas en sus vivenciascotidianas o lo que veıan diariamente. Por ultimo, llegaron a la conclusionque requerıan de ciertos niveles de razonamiento, apoyados por la experienciay por un metodo o forma de trabajo con ciertas caracterısticas, para lograrcomprender los fenomenos naturales que les interesaba, con la finalidad decontrolar la naturaleza para mejorar su calidad de vida.

Te puedes preguntar, ¿que son explicaciones mıticas? ¿Que es un mito?Un mito es un relato sobre dioses, fueran hombres u objetos inanimados, elsol o los astros, donde estos ultimos, los dioses influıan sobre el bienestar o node los hombres. Lo importante aquı y realmente relevante es que, usando suscreencias sobre dioses o astros, los hombres construyeron modelos explicativosde muchos fenomenos o sucesos de la vida diaria que llamaban su atencion.

Un ejemplo de estos son los griegos antiguos que tienen modelos mıticos,despues modelos filosoficos. Muchos de esos mitos son muy conocidos hoy endıa, pues, algunos fueron narrados por escrito por Homero. El escribir losmitos, con sus explicaciones (origen y estado de la cuestion), hizo posiblediscutirlos . Debido a la posibilidad de discutirlos, se comienza a pasarde construir explicaciones basadas en los mitos, a construir explicacionesbasadas en la filosofıa como expresion de la cosmovision del mundo. Estospueden ser a predominancia empiristas y otros racionales. En este momentonace la figura del filosofo, el que buscaba explicaciones a distintos fenomenosde la naturaleza.

A continuacion te presentaremos de forma resumida y lo mas clara posiblelas primeras explicaciones que intentaban dar respuestas a las cuestiones:¿de que estamos hechos? ¿De que estan hechas las cosas? Las primeras ideas

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12 1. ¿De que estamos hechos?

en este sentido, no sustentadas en los mitos, fueron muy llamativas y secentraron en la busqueda de la sustancia base al origen de todo.

El agua era el origen de todas las cosas (Tales de Mileto).No se sabe que querıa decir Tales. Tal vez estando en Egipto, ycontrastando con el desierto, es muy probable que viera como todocrecıa en cuanto las aguas del Nilo se retiraban de las regiones de sudelta. Quizas tambien viera como, tras la lluvia, iban apareciendo ranasy gusanos.

El origen de todo era el aire o la niebla (Anaxımenes). Esevidente que el autor de esta idea conocıa la teorıa de Tales sobre elagua. ¿Pero de donde viene el agua? Anaxımenes opinaba que el aguatenıa que ser aire condensado, pues vemos como el agua surge del airecuando llueve. Y pensaba que cuando el agua se condensa aun mas,se conviertıa en tierra. Este puede ser el eje central de las ideas deAnaxımenes.

El origen de todas las cosas tiene a su base cuatro elementostierra, aire, fuego y agua (Empedocles).Algunos siglos despues,se comienza a rechazar la idea de que hay un solo elemento y secomienza a hablar de cuatro elementos. Para algunos tenıa su origenen lo siguiente. La vida solo era posible donde habıa humedad, unaflor sin agua se muere; luego el primer elemento era el agua. Pero elagua no es solida, se escapa de las manos. Una montana no puedeestar formada de agua y necesita, por tanto, otro elemento que lede consistencia, solidez. Por lo que el segundo elemento era la tierra,que da consistencia al agua. El barro resulta de la mezcla del agua conla tierra. Por lo que el tercer elemento postulado por este filosofo fue elaire, pues seca o evapora el agua que contienen las cosas. Por ultimo,considero el fuego como cuarto elemento. Para otros, fue asombrosocomo el hombre transformaba tierra, agua, aire y fuego en piedra parahacer puntas de flechas, vasijas para cocer los alimentos, tejas para eltecho de las viviendas, etc.

¿Que tienen en comun estas primeras explicaciones, entre sı, sobre el origende las cosas? ¿Cual es la caracterıstica mas relevante de dichas ideas desdetu perspectiva?

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1.4. Nuevos conocimientos 13

En la busqueda de respuestas, tambien encontramos explicaciones muycontradictorias entre sı y a la vez, algo complicadas.

Todo lo que hay ha existido siempre (Parmenides). Por lotanto, nada puede surgir de la nada y algo que existe, tampoco sepuede convertir en nada. Lo que llevo a los seguidores de Parmenides acreer que ningun verdadero cambio era posible, pues, no hay nada quese pueda convertir en algo diferente a lo que es exactamente. Entonces,las cosas o las personas no cambian. Pero, tu puedes argumentar queesto no es cierto, pues, todo el mundo ve que las personas cambiamos amedida que pasan los anos. Por ejemplo, las personas pasan de ninosa adolescentes.

Los cambios constantes eran los rasgos mas basicos de lanaturaleza (Heraclito). ((Todo fluye)), todo esta en movimiento ynada dura eternamente, por eso no podemos ((descender dos veces almismo rıo)), pues cuando desciendo al rıo por segunda vez, ni yo ni elrıo somos los mismos, segun Heraclito.

¿Que tienen en comun las dos explicaciones (ideas) anteriores? ¿Que tienenque ver los cambios o no cambios en dar respuesta a las cuestiones centralesde este tema? ¿Hay similitudes o diferencias con las primeras explicacionesque te presentamos? ¿Que opinas? Es difıcil que dos personas puedan estaren mas desacuerdo que Parmenides y Heraclito.

Otra explicacion o respuesta a las mismas preguntas la presento Democrito.Este filosofo griego estaba de acuerdo con sus predecesores en que los cambiosen la naturaleza existıan, pero que habıan cosas basicas que no cambiaban.¿Como conciliar ambos puntos de vista? Suponıa, por lo tanto, que todotenıa que estar construido por unas piececitas pequenas e invisibles, cadauna de ellas eterna e inalterable. A estas piezas mas pequenas Democrito lasllamo atomos.

La palabra ((atomo)) significa ((indivisible)). Donde ((Tomo)) es parte yel prefijo a niega lo que sigue: ((sin partes)) Era importante para Democritoafirmar que eso de lo que todo esta hecho no podıa dividirse en partes maspequenas. Las diferentes partes, arreglos de esas, pueden explicar los cambios.

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14 1. ¿De que estamos hechos?

Existe un sinfın de diferentes atomos en la naturaleza, decıa Democrito.Algunos son redondos y lisos, otros son irregulares y torcidos. Precisamentepor tener formas diferentes, podıan usarse para componer diferentes cuerpos.Pero aunque sean muchısimos y muy diferentes entre sı, son todos eternos,inalterables e indivisibles. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un arbol o unanimal mueren y se desintegran, los atomos se dispersan y pueden utilizarsede nuevo en otro cuerpo. Pues los atomos se mueven en el espacio, pero comotienen entrantes y salientes se acoplan para configurar las cosas que vemosen nuestro entorno.

¿Como piensas que llego Democrito a estas conclusiones sobre el atomo?¿Que tipo de explicacion es la de Democrito? ¿Mıtica? ¿Razonada? ¿Basadaen la experiencia?

Es necesario hacer hincapie que todo lo anterior presenta brevemente lasideas o concepciones que los griegos fueron desarrollando sobre la constituciondel hombre y las cosas.

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Page 9: Conceptos introductorios electricidad

1.4. Nuevos conocimientos 15

1.4.2. ¿Como se imaginaba Democrito un atomo?¿Como te lo imaginas tu?

El problema principal de Democrito y de los que lo antecedieron fue que nopodıan ver dentro de las personas o de las cosas, para conocer como estabanhechos o que lo constituıan. La verdad era que tenıan que imaginarse todo.

Representa mediante un dibujo tu idea de lo que es un atomo.

¿Como podemos tener una idea de algo que no vemos, algo que esta masalla de nuestro mundo inmediato?

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16 1. ¿De que estamos hechos?

1.4.3. ¿Como explicamos lo que no vemos?

Tu profesor o profesora te facilitara una pequena caja cerrada. Dentro dedicha caja hay objetos que debes identificar, sin abrirla.

¿Como podrıas saber que hay dentro de la caja? ¡Recuerda! No puedesabrir la caja.

Anota cuales son los objetos que crees, estan dentro de la caja. Anota,en los espacios en blanco a continuacion, que pistas te permitieronidentificar dichos objetos.

¿Como piensas que los hombres construyeron explicaciones sobre laconstitucion de las cosas, si no podıan ver dentro de las mismas?

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1.4. Nuevos conocimientos 17

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18 1. ¿De que estamos hechos?

1.4.4. Algunos de los modelos o ideas elaborados sobreel atomo y su constitucion

Una posible estrategia , para saber que contenıa la caja cerrada, pudohaber consistido en escuchar y analizar los distintos sonidos que se producıanal zarandearla. De esta forma ibas identificando lo que habıa adentro de lacaja, a traves de lo que escuchabas. Con esta informacion construiste unaidea sobre lo que ocasionaba los distintos sonidos. Esta forma de buscarexplicaciones para identificar cosas y construir explicaciones no se alejamucho de la forma en que lo hicieron los primeros interesados en lo queocurrıa a su alrededor.

Una idea o teorıa sobre la naturaleza de un fenomeno para explicarhechos experimentales constituye lo que en ciencias se denomina modelocientıfico. Un ejemplo de modelo cientıfico es el modelo atomico. Nadieha visto de manera directa el atomo. Sin embargo, observando una serie defenomenos en el comportamiento de la materia es posible desarrollar unaserie de ideas de como es la estructura de la materia.

A lo largo de la historia de la humanidad el hombre, en su afan de buscarexplicaciones sobre como esta constituida la materia, ha construido distintosmodelos. ¡Veamos, cuales son!

¡Bienvenido al mundo de explicaciones que ha construido elhombre sobre como estan formadas las cosas que nos rodean yhasta nosotros mismos!

Regresando a Democrito

Experimentar es mas que observar; entre otras cosas hay control devariables. Varios cientıficos realizaron experiencias con el fin social de cambiarla materia. Algunos resultados son los siguientes:

Proporciones definidas: si mezclamos azufre con limadura de hierrocon un iman podemos separarlos de nuevo. Pero, si calentamos estamezcla se forma otra sustancia diferente y no podemos separarla.Ademas, si mezclamos 100 g de hierro con 57,4 g de azufre se forma157,4 g de una sustancia diferente llamada sulfuro de azufre. Hayproporciones definidas. Proust enuncio esta ley.

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1.4. Nuevos conocimientos 19

Proporciones multiples: Lo anterior no permite por sı solo definirlas relaciones, pues, hay varias posibilidades. Dos elementos quereaccionan pueden dar diversos compuestos segun sus proporcionesrelativas y las condiciones de reaccion.

Principio de Avogadro: cuando son gases los que reaccionan losvolumenes de gas de los reactivos estan en relaciones simples. De allı quelos volumenes iguales de gases diferentes, a la misma temperatura ypresion, contienen el mismo numero de partıculas.

El ingles John Dalton , hacia 1800 retoma las ideas de Democrito sobreel atomo y apoyandose en experiencias realizadas, llego a la conclusion que:

la materia esta constituida por partıculas indivisibles (atomos),

todos los atomos de un mismo elemento quımico son iguales,

los atomos de elementos diferentes son tambien diferentes.

los atomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambiosquımicos.

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20 1. ¿De que estamos hechos?

Figura 1.1: Atomo de Thompson

El modelo del Pudin de pasas

Muchos anos despues, hacia 1897 Joseph John Thompson descubreel electron a traves de una serie de experimentos, que consistıan en usartubos de gases a baja presion en los que se establece una diferencia de poten-cial superior a 10 000 voltios. Como consecuencia aparecen cargas electricasnegativas a las que se llamo electrones, y se demostro que habıan sido arran-cados de los atomos (los cuales eran neutros). Tal descubrimiento modifico elmodelo atomico de Dalton, que lo consideraba indivisible. Thompson supu-so el atomo como una esfera homogenea e indivisible cargada positivamenteen la que se encuentran incrustados los electrones. A este modelo atomicode Thomson se le conoce como modelo del pudın. Ver Figura 1.1 (Imagenobtenida en:http://wapedia.mobi/es/Imagen:Plum pudding atom.svg).

El descubrimiento del nucleo atomico

Despues de Thompson, otro fısico ingles, Ernest Rutherford, realizo unaserie de experimentos. Hizo incidir sobre una lamina finısima de oro, undelgado haz de partıculas cargadas positivamente de masa mucho mayor,que la masa del electron y dotadas de energıa cinetica alta, ver la figura 1.2(en:http://wapedia.mobi/es/Modelo atomico de Rutherford). En el choque,entre el haz de partıculas positiva y la lamina de oro, observo distintos

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1.4. Nuevos conocimientos 21

comportamientos:

la mayorıa de las particulas cargadas positivamente atravesaban lalamina sin desviarse;

algunas de las particulas cargadas positivamente se desviaban;

muy pocas de las particulas cargadas positivamente retrocedıan.

Los resultados de esta experiencia senalaron que los atomos:

estaban casi vacıos en su interior, pues la mayorıa de las partıculascargadas positivamente las atravesaban.

tienen una zona cargada positivamente, pues, algunas de las partıculasdel haz con carga positiva retrocedıan o se desviaban. Esta zona debıaestar muy concentrada ya que era mayor el numero de desviaciones queel numero de choques.

En el siguiente sitio Web puedes apreciar en detalle la experiencia deRutherford:

http://www.youtube.com/watch?v=mmAvvx5m6ts&feature=channel page

Como consecuencia de este descubrimiento, Thompson propuso, en 1911,un nuevo modelo atomico en el que se afirmaba que los atomos estabanconstituidos por 2 zonas bien diferenciadas. Una zona de carga positiva conel 99,9 porciento de la masa muy concentrada y por tanto de gran densidada la que llamo nucleo. Y otra rodeando al nucleo a la que llamo cortezadonde estaban los electrones con carga negativa girando alrededor del nucleo.

El descubrimiento del neutron

Despues del experimento de Rutherford de la lamina de oro, los Fısicosy los Quımicos pensaban que en los nucleos atomicos deberıan de existir,ademas de los ya descubiertos protones, otras partıculas sin carga electrica.Esta especulacion estaba basada en el hecho de que la masa de los atomosde hidrogeno era aproximadamente la suma de las masas del electron y el

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22 1. ¿De que estamos hechos?

Figura 1.2: Atomo de Rutherford

proton. Sin embargo, la masa de todos los demas atomos es mayor que lasuma de las masas de sus protones mas sus electrones.

El mismo Rutherford propuso su existencia en 1918 y el 27 de febrerode 1932, Chadwick (que habıa sido alumno de Rutherford) reporto susresultados, interpretandolos como evidencia de la nueva partıcula neutra a laque se le llamo neutron. Este descubrimiento le valio a Chadwick un premioNobel.

Mejorando el Modelo atomico de Rutherford

Tras el descubrimiento del neutron en 1913 Bohr intento mejorar elmodelo atomico de Rutherford aplicando las ideas cuanticas de Planck asu modelo. Para realizar su modelo atomico se valio del atomo de hidrogeno;describio el atomo de hidrogeno con un proton, como nucleo y con unelectron 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 ySchrodinger. Los aspectos caracterısticos de este modelo son:

Dualidad onda-partıcula: Broglie propuso que las partıculas materialestienen propiedades ondulatorias, y que toda partıcula en movimiento

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1.4. Nuevos conocimientos 23

Figura 1.3: Atomo de Bohr

lleva una onda asociada.

Principio de indeterminacion: Heisenberg dijo que era imposible situara un electron en un punto exacto del espacio.

Las ecuaciones del modelo cuantico describen el comportamiento de loselectrones dentro del atomo, y recogen su caracter ondulatorio y laimposibilidad de predecir sus trayectorias exactas. Ver Figura 1.4 (Imagenobtenida en: http://wapedia.mobi/es/Modelo atomico de Schrodinger).

Como vemos a lo largo de la historia del desarrollo de la Fısica comoCiencia la construccion de modelo sobre el atomo y la constitucion de lamateria ha sido la norma. Por lo tanto, el Fısico siempre busca expresarsu comprension de la naturaleza a traves de modelo explicativos de lo quesucede.

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24 1. ¿De que estamos hechos?

Figura 1.4: Atomo

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Page 19: Conceptos introductorios electricidad

1.5. ¿Que aprendiste sobre los modelos que explican la constitucion de la materia? 25

1.5. ¿Que aprendiste sobre los modelos que

explican la constitucion de la materia?

En esta seccion te invitamos a reflexionar sobre lo aprendido a lolargo de la lectura y discusion de esta unidad didactica. Es importanteque identifiquemos lo que no has comprendido sobre el tema que estamosestudiando.

Explica en los espacios en blanco a continuacion las diferencias ysimilitudes, que identificaste en las explicaciones de los griegos sobre laconstitucion de la materia.

¿Como los griegos construıan sus explicaciones sobre los fenomenosnaturales que les interesaban? ¿Cual es la diferencia entre la explicacionde Democrito y Tales de Mileto?

Escribe a continuacion los cambios, similitudes y diferencias queidentificaste entre la forma en que los primeros griegos explicaban laconstitucion de la materia y por ejemplo, Rutherford y Bohr.

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26 1. ¿De que estamos hechos?

¿Como fundamentaron Borh, Rutherford y Thompson los modelos quepresentaron sobre la constitucion de la materia y las cosas?

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Page 21: Conceptos introductorios electricidad

1.6. Evaluacion 27

1.6. Evaluacion

Cada una de las actividades de evaluacion senaladas a continuacionpueden ser trabajadas en pequenos grupos (maximo tres alumnos o alumnas).

1. Construye un mapa conceptual sobre el tema tratado en esta unidaddidactica.

2. Disena y confecciona un afiche (tamano de una cartulina) que ilustreesquematicamente las distintas concepciones que se ha tenido de lamateria a lo largo de la historia, desde los griegos, hasta los modelosde J. J. Thomson y Rutherford. En este afiche debe verse claramentelas caracterısticas o aspectos que diferencia un modelo de otro.

3. Construye una maqueta, con cartulina o cartones (todo material debajo costo) que simule el experimento de Rutherford.

4. Dibuja un esquema o diagrama que explique lo que piensas queocurrira si un cuerpo: 1) con carga negativa se aproxima a un cuerpocargado positivamente; 2) si un cuerpo con carga positiva se aproxima aun cuerpo cargado positivamente. Utiliza para explicar lo que ya sabesdel Modelo Atomico de Rutherford.

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28 1. ¿De que estamos hechos?

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Propiedades esenciales de laestructura atomica de lamateria

Despues que el hombre construye explicaciones sobre la constitucion dela materia se encuentra con propiedades especıficas y muy particulares dela misma. Por ejemplo, se encuentra que la materia se conserva, no secrea ni se destruye. Con esto establece una muy conocida ley: la ley dela conservacion de la materia. Ademas, descubre que los atomos son muy,pero, muy pequenos. Y que es importante diferenciar ente materia continuay discreta. Lo que lo lleva al concepto de cuantizacion.

Estos conceptos no son faciles de comprender, pero, son muy necesariosen el estudio de la electricidad. Y el objetivo de este curso es comprender laelectricidad.

2.1. Sobre que la materia no se crea, ni se

destruye y algunas cosas mas

Las cuestiones a continuacion tienen como finalidad que expreses de formabreve y clara lo que sabes, piensas, o las ideas que has construido sobre eltema que vamos a estudiar. No esperamos que respondas de forma correctadesde la Fısica, debes expresar lo que tu piensas. Al finalizar contrasta tusrespuestas con las de tus companeros. Ası sabes que hay un saber social quese construye comun y otro que difiere de individuo a individuo.

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Page 24: Conceptos introductorios electricidad

30 2. Propiedades esenciales de la estructura atomica de la materia

Es muy comun escuchar decir que la materia se conserva, pero, comoexplicas esto. ¿Que nos puedes decir al respecto?

¿Que significa que algo sea continuo? ¿Que significa que la materia seadiscreta?

¿Que tamanos piensas tienen los atomos? Utiliza un objeto conocidoque te sirva de comparacion para explicarnos de que tamano son losatomos.

2.2. Lo que debes comprender, conocer y

saber hacer

Como te dijimos desde la primera unidad didactica, siempre, ante unanueva tarea o proceso de aprendizaje es necesario tener claro lo que se esperaque logremos. Tener claro las metas y objetivos es clave para el exito de lamision. En consecuencia, ante lo planteado hasta el momento, responde lassiguientes cuestiones:

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Page 25: Conceptos introductorios electricidad

2.3. Algunas estrategias para aprender a aprender 31

Describe de forma breve y clara, lo que te hemos dicho que vamos aestudiar.

¿Que piensas que necesitas aprender, en funcion de las debilidades yfortalezas que te has detectado, para hacer frente o centrarte de formaadecuada en el estudio de este tema?

Tus respuestas a las cuestiones anteriores, nos permitiran establecerclaramente 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 capazde:

Identificar situaciones cotidianas o fenomenos naturales donde sepueden poner en evidencia leyes de conservacion.

Comparar la escala atomica con escalas manejables en la vida cotidianay en la Ciencia.

A una escala dada, diferenciar entre una propiedad continua y unapropiedad discreta.

2.3. Algunas estrategias para aprender a

aprender

Es importante tener una estrategia para aprender. Debes saber que elque aprendas no es solo obligacion de tu profesor o profesora es, tambien,obligacion tuya. Si eres de las personas que dice y se repite, que todo essiempre lo mismo y, que pasa sus materias con esfuerzo, te queremos decirque:

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Page 26: Conceptos introductorios electricidad

32 2. Propiedades esenciales de la estructura atomica 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 hastenido mucho exito, puede ser que siempre haces lo mismo y no te planteasuna nueva estrategia de estudio. Cambia tus habitos de estudio si no te danresultado.

Para que puedas aprender todo lo que te presentamos en esta unidad teaconsejamos que:

1. Leas individualmente y con detenimiento cada uno de los ejemplos.

2. Discutas, primero con tus companeros y despues, con tu profesor oprofesora los nuevos conocimientos que te presentamos.

3. Comienza a identificar la forma en que aprendes, y en funcion deello elabora una estrategia de estudio. Comentala con tu profesor oprofesora.

Por ultimo es importante que tengas claro que solo te estamos aconsejandosobre la mejor forma de estudiar y por lo tanto, estas recomendaciones notendran una evaluacion.

2.4. Nuevos Conocimientos

La constitucion de un tema como la electricidad implica muchas vecescomprender conceptos fundamentales para darle sentido Fısico a la misma.Pero, la mayorıa de las veces estos conceptos se pasan de largo como sino fueran importantes y esenciales o se nos presentan de una forma nadaaccesible, al punto que llegan a ser incomprensibles y poco atractivos parael comun de las personas. Entre estos conceptos tenemos: las leyes deconservacion de la materia, la neutralidad de la materia, el tamano delos atomos y la cuantizacion de la carga. Con la finalidad de mostrarte laimportancia de los mismos es que en esta seccion, a partir de las distintasactividades que la componen, pretendemos presentartelos de una formadistinta y mas accesible sin que pierdan sus aspectos fundamentales y suimportancia dentro de la Fısica.

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2.4. Nuevos Conocimientos 33

2.4.1. El concepto de Conservacion

A lo largo de tu formacion en secundaria, habras escuchado, muchasveces, a tu profesor o profesora de Fısica explicarte, en clase, la conservacionde la energıa o conservacion de la cantidad de movimiento. No entraremosen detalle con respecto al concepto Energıa o al concepto cantidad demovimiento, pero, si nos centraremos en el concepto conservacion .

¿Que implica en Fısica o en la vida diaria que algo se conserva o que haycantidades que se conservan?

Es importante que comprendas claramente la respuesta a la preguntaanterior, pues, el concepto conservacion es fundamental para la comprensionde la Fısica. Por ejemplo, en electricidad es muy importante la llamadaLey de Conservacion de la Carga y para comprender esa ley hay quecomprender que es conservacion .

Al decir que ((algo se conserva)) estamos senalando que ((ese algo)), nocambia con el tiempo a pesar de los multiples cambios de la naturaleza. Elhecho de que, ese algo no cambie la mayorıa de las veces lo vemos reflejado,en Fısica, por ejemplo, en un numero. Sales a pasear con tu familia, padre,madre, tus dos hermanos y tu. Son cinco. Al regresar a casa esperan sercinco, pues de otra manera alguien se perdio u ocurrio algo; Esperan que elnumero de personas se conserven . Pero, aquı no nos interesa el numero,sino comprender que significa que algo se conserve. Para ello, te invitamos aque analices las situaciones que te presentamos a continuacion.

A continuacion te presentamos una serie de situaciones, ante cada una,tendras que responder a la pregunta que se te hace. Luego de responder atodas las preguntas, procede a discutir tus respuestas con tus companeros,companeras, y despues con el profesor o profesora.

Se te presentan dos vasos quımicos con agua coloreada. Ambosvasos tienen la misma cantidad de agua (Figura 2.1).

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34 2. Propiedades esenciales de la estructura atomica de la materia

Figura 2.1: Vasos quımicos con la misma cantidad de agua

Figura 2.2: Trasvase del agua

Vertimos toda el agua contenida en el vaso quımico 1, en otro vasoquımico de mayor tamano (Figura 2.2).

¿Donde hay mas agua en el vaso quımico 2 o en el vaso quımico 3?Explica tu respuesta en los espacios en blanco a continuacion (Figura2.3).

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2.4. Nuevos Conocimientos 35

Figura 2.3: Comparando el contenido de agua en ambos vasos

Figura 2.4: Trasvase del agua a vasos quımicos mas pequenos

Vertimos toda el agua contenida en el vaso quımico 3, en vasos quımicosmas pequenos (Figura 2.4).

¿Donde hay mas agua en el vaso quımico 2 o en todos los vasos quımicosmas pequenos agrupados en 4? Explica tu respuesta en los espacios enblanco a continuacion (Figura 2.5).

Senala, en los espacios en blanco a continuacion, las diferencias ysimilitudes encontradas entre tus respuestas y las de tus companeros.

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Figura 2.5: Comparando el contenido de agua en 2 y 4

Despues de haber discutido tus respuestas, a las preguntas anteriores,con tus companeros y con tu profesor o profesora procede a escribir, enlos espacios en blanco, a continuacion, tus conclusiones de la actividadanterior.

Te presentamos cuatro cubos de plastilina, de diferentes colores,todos los cubos tienen igual masa e iguales dimensiones (Figura2.6).

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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 trespedazos y el cubo 3 en ocho pedazos (Figura 2.7).

¿Cual cubo tiene mayor masa? ¿Cual cubo tendrıa mayor peso? ¿Elcubo 1? ¿El cubo 4?

¿Donde hay mayor masa? ¿Quienes, en conjunto, tendrıan mayor peso?¿Los cubos agrupados en 2? ¿El cubo 4?

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38 2. Propiedades esenciales de la estructura atomica de la materia

¿Donde hay mayor masa? ¿Quienes, en conjunto, tendrıan mayor peso?¿Los cubos agrupados en 2? ¿Los cubos agrupados en 2?

Senala, en los espacios en blanco a continuacion, las diferencias ysimilitudes encontradas entre tus respuestas y las de tus companeros.

Despues de haber discutido tus respuestas, a las preguntas anteriores,con tus companeros y con tu profesor o profesora procede a escribir, enlos espacios en blanco, a continuacion, tus conclusiones de la actividadanterior.

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Figura 2.8: Conjunto de pelotas

En las discusiones con tus companeros y profesor o profesora has comenzadoa comprender el concepto de conservacion. Con el interes de ayudarte aprofundizar, un poco mas, en la comprension de este concepto tomamos losaspectos basicos de la forma en que Richard Feynman (premio Nobel defısica en 1965, inventor de los diagramas que llevan su nombre, y visionariode la computacion cuantica y la nanotecnologıa), explico el concepto deconservacion. Para ello, este notable y reconocido Fısico utilizo un ejemplomuy descriptivo.

Imagina que tienes 10 pelotas verdes indestructibles, que no puedendividirse en piezas mas pequenas y que son iguales (Figura 2.8).

Luego de un tiempo de jugar con las pelotas descubres una leyfenomenologica: hagas lo que hagas con las pelotas, ¡siempre tienes diez! Estocontinua durante varios dıas, hasta que un dıa solo hay siete pelotas; pero,tras una pequena busqueda descubres que las tres que te faltaban estabanbajo el escritorio donde estudias diariamente; Otro dıa, te encuentras queel numero de pelotas parece haber cambiado nuevamente: solo hay seis.Una nueva busqueda cuidadosa pone de manifiesto que la ventana estabaabierta, y al buscar fuera aparecen las cuatro pelotas que te faltaban.Asombrosamente, tiempo despues encuentras que en lugar de diez pelotas¡tienes quince pelotas! Esto te provoca una consternacion considerable, hastaque conversando con uno de tus companeros de clase descubre que este olvidocinco pelotas en tu casa el dıa anterior. Una vez que te deshaces de las pelotasextras vuelve todo a la normalidad, continuas con diez pelotas.

Por un tiempo la cantidad de pelotas es la misma, diez, pero un dıacuentas y solo hay seis. Comienzas a buscar y encuentras que algo hacambiado. Tu madre, molesta por el desorden en tu habitacion, la ordeno yguardo 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, ademas te advierte que tienes prohibidoabrir dicha caja y mirar lo que hay dentro, pues, no es posibles que vivasentre 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 (Figura2.9).

Para esta tarea cuentas con informacion importante. Tienes una cajaidentica a la que tu mama uso y con una balanza conoces que la mismatiene una masa de 78,350 g. Al pesar la caja que supuestamente contiene laspelotas encuentras que tiene una masa de 91,778 g. Pero, ademas, mides lamasa, individualmente de las pelotas que tienes y encuentras que cada unatiene un peso de 3,357 g (Figura 2.10). Esto te dice que las cuatro pelotasjuntas deben tener una masa aproximada de 13,428 g.

Con la informacion anterior y una ecuacion que representa lo que vas ahacer comienzas tu tarea de identificacion.

Masa total de la caja con las pelotas –Masa de la caja = Masade las cuatro pelotas

Es claro que si el resultado de es de alrededor 13,428 g, entonces, puedesdecir que las cuatros pelotas se encuentran dentro de la caja y por lo tanto,se mantiene el numero de pelotas. Puede haber sucesivos cambios alrededorde las pelotas, pero, siempre seran diez.

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Figura 2.10: Balanza

Como cierre de esta parte te invitamos a que con uno de tuscompaneros o companeras procedas a describir una situaciondonde a pesar de que ocurren sucesivos cambios en el tiempohay una cantidad que se conserva.

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Figura 2.11: Metro sobre una mesa

2.4.2. El tamano de los atomos vs el tamano de lascosas en la vida cotidiana

Hasta el momento hemos centrado tu atencion en que la materiaesta compuesta de atomos. Un punto importante es tener una idea del tamanode los atomos, pues, no es facil imaginarse algo muy, pero muy pequeno. Porello, te ayudaremos un poco con algunos ejemplos.

En primer lugar, es importante establecer un punto de referencia para lascomparaciones que queremos hacer. Nuestra referencia sera un metro (Figura2.11 y 2.12). El orden de magnitud de un metro es 100 m.

Un metro lo podemos dividir en 10 decımetros (Figura 2.11). Pero,centrandonos en los decımetros, podemos decir que hay a nuestro alrededormuchas cosas que miden un decımetro. Por ejemplo, un objeto de undecımetro cabe dentro del largo de nuestra mano (Ver figura 2.13). El ordende magnitud de un decımetro es de 10−1 m.

Un decımetro, a su vez, lo podemos dividir en 10 centımetros (Figura2.14). En nuestra vida cotidiana interactuamos con cosas que miden,aproximadamente, un centımetro: el ancho de una memoria USB, el anchode una una, etc (Figura 2.15). El orden de magnitud de un centımetro es de10−2 m.

Las famosas ((minas)) o barritas de carbon que usan los lapices mecanicostienen aproximadamente un 1,0 mm de espesor (Figura 2.16). Entonces, estasbarritas de carbon tienen un orden de magnitud de 10−3 m.

Pero, hay cosas cuyo tamano es menor que un milımetro, por ejemplo, elespesor de un cabello (Ver figura 2.17).

En la figura 2.17 tenemos tres hebras de cabello sobre una regla, cuyaprecision esta en los milımetros. Como vemos, parece que dentro de un

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Figura 2.12: Metro en posicion vertical

Figura 2.13: Tamano de una mano vs un decımetro

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Figura 2.14: Decımetro

Figura 2.15: Centımetro

Figura 2.16: Milimetro

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Figura 2.17: Espesor de un cabello

milımetro cabe un numero considerables de cabellos.Si un cabello mide aproximadamente 68 µm (68 x 10−6), entonces,

¿cuantos cabellos caben en un milımetro? Nuestra vista no distingue tamanosde una decima de milımetros y los micrometros (µ) son la milesima parte deun milımetro. ¡Y todavıa no llegamos al tamano de los atomos!

Saltamos de tamanos de un orden de magnitud de 10−3 m a tamanos de10−6 m. ¿Hay cosas u organismos mas pequenos que un micrometro? Hayvirus que miden una decima de micrometro y son los organismos vivos maspequenos que se conocen. El orden de magnitud del tamano de un virus esde 10−7 m.

Despues de los tamanos de los virus, nos encontramos con los tamanos delas moleculas que es la parte mas pequena de una sustancia que conservaıntegra sus propiedades. Las moleculas, su tamano es de un orden demagnitud de 10−8 m. A partir de aquı se comienzan a distinguir los atomosque estan en un orden de magnitud de 10−9 m. El tamano de los atomos losmedimos en una nueva unidad de longitud: el nanometro.

¿Cuantos nanometros caben en un metro?

Los cientıficos saben que el atomo no es la parte mas simple de la materiacomo se creıa, sino que el atomo esta construido de otras partıculas y estas, a

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Figura 2.18: Imagen de atomos de Bromo

su vez, de otras. Todavıa se sigue investigando cual es la composicion ultimade la materia. Por lo tanto, pueden existir cosas mucho mas pequenas quelos atomos.

Esperamos que con los ejemplos anteriores tengas una idea de lasdimensiones del atomo.

A continuacion presentamos las imagenes de atomos tomadas con unmicroscopio electronico.

Doce atomos de Bromo. A continuacion se muestra la imagen tal comoaparece en: http://agaudi.files.wordpress.com/2008/02/07 bromine atoms.jpg

Atomos individuales sobre una superficie metalica. Imagen tal comoaparecen 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 atomos sobre una superficie metalica

Figura 2.20: Imagen de un atomo de Silicio

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Figura 2.21: Texto de un periodico local

2.4.3. Materia continua y materia discreta

Los dos conceptos a tratar dentro de esta pequena seccion no son demanejo facil pero vamos a intentar que los comprendas lo mas posible.

Se dice que algo es continuo cuando podemos partirlo tanta veces comoqueramos. Es decir, que no encontramos separaciones entre una u otra de laspartes que resultan de la particion.

Veamos lo anterior con un ejemplo. Hemos escogido la fotografıa de unaseccion de uno de los periodicos de la localidad. En este momento lo vemoscomo un todo (Figura 2.21).

Cada letra, parece estar formada de partes tan pequenas como queramos.Ahora con un programa comenzaremos a aumentar su tamano utilizando

la opcion ((zoom)).

Primer zoom: 200%

Como puedes observar, aumento el tamano de las letras (Figura 2.22),y con esto no podemos apreciar el texto tal como se presento en la imageninicial. Es mas, sino se conoce el texto inicial, no se puede conocer la frasecompleta. Podemos seguir aumentando.

Segundo zoom: 500%

Con este ((zoom)), las letras parecieran formadas de pequenos cuadros, sinembargo 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 pequenos cuadros negrosy grises de cierto tamano y, el fondo esta formado por pequenos cuadrosblancos, tambien del mismo tamano (Figura 2.24). Hasta el momento noobservamos huecos o espacios entre esos pequenos cuadros. Podemos seguiraumentando.

Cuarto zoom: 1500%

Los pequenos cuadros que forman la letra ((n)) son mas evidentes. Ahoravemos la imagen formada por cuadros, por lo que tiene una estructuradiferente a la que vemos sin aumento (Figura 2.25).

Quinto zoom: 2000%

En esta imagen son mas evidentes los cuadros negros y grises que formanla letra ((n)) y los cuadros blancos y grises que forman el fondo dentro delcual se encuentra la letra ((n)). Vemos una nueva estructura cuya base son loscuadritos 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).

Septimo zoom: 3000%

Los cuadros se hacen mas evidentes y podemos observar que hay diferencianeta entre uno y otro. Los cuadros blancos y grises se acercan a los cuadrosnegros y grises por la derecha y lo mas importante, en todo el recorridopodemos separar bien cada cuadro. Los cuadros estan netamente separadoslos unos de los otros. Se pueden contar (Figura 2.28).

El concepto que hay detras, en Fısica, cuando hablamos de que algo escontinuo es que no tiene estructura subyacente y podemos seguir dividiendoindefinidamente sin encontrar una estructura subyacente. La materia anuestra escala parece continua, se puede dividir tantas veces como queramossin que haya estructura subyacente, pero, al duplicar vemos que esta formadapor bloques llamados moleculas. Y estos a su vez formados por atomos.

En cuando al caso de que la materia sea discreta, este concepto lohemos visto a distintos ((zoom)) o ((distintas escalas)). En casi todos los zoompresentados, exceptuando los dos primeros, pues, no se aprecia claramente.Vemos una unidad basica, ((cuadros)) que parecen ser indivisibles, son launidad ultima. A esto es que en Fısica se le llama discreto. Si aplicamos

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2.5. ¿Que aprendiste en esta unidad didactica? 53

Figura 2.28: Zoom 3000%

esta idea al concepto de carga electrica nos encontramos que la misma esdiscreta, es decir, se presenta por paquetes indivisibles.

2.5. ¿Que aprendiste en esta unidad didacti-

ca?

Como siempre te hacemos, en esta seccion, una invitacion a reflexionarsobre lo aprendido al leer o discutir con tus companeros, profesor o profesora.

Aprendizaje a sintetizar el saber:

Explica con un ejemplo, que una cantidad se conserva, en los espaciosen blanco a continuacion.

Imagina que tienes un recipiente con lentejas y otro recipiente conagua ¿Serıan comparables las lentejas al conjunto de moleculas queconstituyen el agua? Indica las semejanzas y diferencias.

Busca en internet referencias bibliograficas sobre ((los pixeles)) y apartir de la informacion que encuentres, responde la siguiente cuestion:((¿Que parte de la materia representan los pixeles, la parte continua ola parte discreta?))

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2.6. Evaluacion

Elabora un escrito, maximo cinco hojas, donde expliques los conceptostratados en esta unidad. En dicho escritos debe demostrar que comprendistelos conceptos tratados, presentando ejemplos de la vida cotidiana que puedesexplicar vıa lo aprendido en esta unidad.

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