Simulaciones de experiencias de gran relevancia en la historia de la Física.

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 comunicaciones
El curso interactivo 
de Física en Internet

La enseñanza tradicional
El ordenador en la 
enseñanza de la Física
Bibliografía
Introducción

El Curso Interactivo de Física en Internet

Los programas interactivos

La historia de la Física en la enseñanza de las Ciencias.

Experiencias en Electromagnetismo

Experiencias en Mecánica Cuántica

Conclusiones

Referencias

 

Resumen

Las simulaciones tienen un gran valor didáctico en la enseñanza de la Física. El Curso Interactivo de Física en Internet contiene 145 programas interactivos o applets para la enseñanza de conceptos, simulaciones de experiencias de laboratorio, problemas, etc.

El Curso Interactivo de Física en Internet, no tiene como objetivo prioritario la historia de la Física, ni las biografías o las contribuciones de científicos notables. Sin embargo, algunos de estos applets simulan experiencias que han tenido gran relevancia en la historia de la Física, y que son difíciles de reproducir en el laboratorio escolar, como las experiencias de Thomson y Millikan que dieron lugar al descubrimiento del electrón, la experiencia de Rutherford crucial en la determinación de la estructura atómica, la de Frank-Hertz en la cuantización de la energía, o la de Stern-Gerlach en el descubrimiento del espín del electrón, etc.

 

Introducción

El fenómeno de Internet ha crecido en muy pocos años y ha alcanzado proporciones impresionantes, tanto por el número de usuarios que se conectan a la Red como por la magnitud de los recursos económicos que se dedican a su desarrollo.

En los EE.UU. las Administraciones implicadas han realizado un gran esfuerzo económico para alcanzar el objetivo de que hacia el año 2000 cada aula (instructional room) y cada biblioteca esté conectada a Internet [1].

No obstante, surgen voces que cuestionan si tal inversión es rentable. Se preguntan si los ordenadores conectados a la Red están cambiando realmente la forma en la que se enseña y se aprende. Si los estudiantes lograrán alcanzar con las nuevas tecnologías los niveles estándares o incluso mayores.

Muchos factores determinan el éxito de una nueva tecnología en un ámbito tan específico como el educativo entre los que destacaremos dos:

  • Los contenidos
  • El papel del profesorado.

El aprendizaje no se va a limitar a un lugar, un tiempo y una infraestructura. El alumno gracias a la continua disposición de los materiales presentes en Internet podrá estudiar en aquellos contextos y horarios que se ajusten más a sus necesidades. (...) Esto no significa la desaparición del profesor sino que supone un cambio en su papel como docente. El profesor será quien filtre la información para sus alumnos y quién decidirá que herramientas son adecuadas y qué temas debe aprender e investigar. El profesor como experto en la materia seguirá decidiendo qué conceptos son importantes y cuales son los objetivos educativos a conseguir [2].

El autor de este artículo ha centrado sus esfuerzos desde el año 1998 en la creación de contenidos, en la convicción de que Internet se puede convertir en una herramienta válida desde el punto de vista educativo, solamente si es una fuente de información de alta calidad, relevante y fiable que pueda ser encontrada y adaptada a las necesidades educativas.

El resultado de este trabajo es un Curso Interactivo de Física en Internet [3] cuyo propósito es el de complementar la enseñanza tradicional. El proyecto inicial financiado por la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología del Ministerio de Educación y Cultura, finalizó en diciembre de 1998. Desde esa fecha, se ha ampliando con nuevos contenidos, se ha perfeccionado y se ha mejorado su apariencia estética, facilidades de navegación, etc.

Para un autor de contenidos educativos, las ventajas que presenta Internet son significativamente mayores que otros medios: impresos (libro) o en formato CD-ROM:

  • La audiencia potencial es mucho mayor
  • La posibilidad de publicar los materiales de enseñanza a medida que se van elaborando
  • La posibilidad de modificarlos una vez publicados, y tantas veces como se precise.
  • Las opiniones y comentarios recibidos a través del correo electrónico, permiten mejorar el producto, que puede considerarse en constante perfeccionamiento y por tanto, nunca acabado.

En cuanto a las desventajas podemos citar, que de momento no se pueden incorporar elementos multimedia tan importantes como el sonido y vídeo, debido a la baja velocidad de transmisión de las líneas telefónicas y en general, a la saturación de Internet debido a su crecimiento exponencial.

La tarea de creación de contenidos no es suficiente, es necesario preparar a los profesores de Física en el uso de las Nuevas Tecnologías mediante cursos de corta duración. Las actividades realizadas en dichos cursos han sido esencialmente las siguientes:

  • Estudiar las características esenciales del Curso Interactivo de Física en Internet.
  • Crear páginas web, con el objetivo de personalizar el texto y las figuras que acompañan a un programa interactivo.
  • Localizar en Internet otros recursos de interés.

 

El Curso Interactivo de Física en Internet

El Curso Interactivo de Física [4] no es una forma alternativa de trasladar temas sacados de los libros de texto, o las notas del profesor, sino que trata de aprovechar una de las características más sobresalientes de Internet, la interactividad. Tampoco es una colección de applets aislados, sino un conjunto coherente que trata la mayor parte de los temas que se imparten en un curso introductorio de Física.

El Curso Interactivo de Física en Internet es un trabajo muy amplio con muchos matices que es difícil de describir en pocas palabras. Abarca en total, 11 capítulos que van desde la Mecánica a la Física moderna y contiene, hasta este momento, 145 applets.

El curso consta de un conjunto de páginas web, estructuradas jerárquicamente. Entrando por el índice nos podemos mover verticalmente a través de la jerarquía de lo general a lo específico, y también horizontalmente entre distintas secciones o tópicos. Las páginas web contienen texto, imágenes, fórmulas matemáticas y applets o pequeños programas interactivos escritos en lenguaje Java.

El estudiante puede interaccionar con un applet del mismo modo que los hace con cualquier otro programa Windows: introduce los valores iniciales, y controla la evolución del sistema físico programado, cuyos resultados en forma de texto, representación gráfica o animación se presentan en su área de trabajo.

Con los applets que se incluyen en las páginas web se ha pretendido crear un conjunto rico de experiencias de modo que los estudiantes adquieran una intuición de las distintas situaciones físicas programadas en el ordenador. Mediante el diálogo interactivo entre el estudiante y el programa se pretende que el estudiante sea un participante activo en su proceso de aprendizaje, en vez de un espectador pasivo.

Para conseguir este objetivo, se han diseñado las páginas web con una estructura similar a una práctica de laboratorio:

  • Se introduce al tema que se estudia.
  • Se describen los fundamentos físicos.
  • Se señalan las actividades a realizar.
  • Se proporcionan instrucciones para el manejo del programa.

No obstante, cada profesor puede adaptar el guión que acompaña a cada experiencia, a su gusto personal o al nivel de los estudiantes a los que imparte la asignatura.

La primera página de un capítulo está dirigida hacia el profesor, en ella se señalan los objetivos educativos, y se proporciona una amplia bibliografía, básica y complementaria. La bibliografía básica está formada por libros de texto de amplia difusión, y la bibliografía complementaria, por artículos publicados en revistas educativas en español o inglés, así como libros de carácter divulgativo.

Se ha insistido en los conceptos básicos dentro de cada tema y en especial aquellos consideramos como "difíciles" por los estudiantes, o que no han sido enseñados suficientemente en los cursos previos.

 

Los programas interactivos

De la experiencia acumulada a lo largo de varios años, en el desarrollo y en la observación de la interacción entre los estudiantes y los programas de ordenador, se han sacado las siguientes conclusiones que han servido de base al autor de este artículo, para elaborar nuevos programas y emprender nuevos proyectos educativos:

  1. Que las ideas previas que tiene el profesor sobre la forma de enseñar un determinado concepto a través del ordenador no siempre son válidas. La percepción del estudiante puede ser distinta de la que se imagina el profesor. Se precisa realizar varias pruebas con distintos grupos de estudiantes, tomar nota de las dificultades que encuentran, fijarse en los errores más frecuentes que cometen cuando trabajan con un determinado programa. A partir de estas observaciones, se reforma el programa y se le somete a nuevas pruebas, y así sucesivamente.
  2. No debemos menospreciar el papel de la intuición. Un estudiante puede ser hábil en la resolución de problemas, obtener buenas notas en los exámenes, etc. Sin embargo, su comportamiento ante una simulación en el ordenador puede ser más deficiente que la de un estudiante que obtenga peores notas. Algunos estudiantes que "se aburren" en una clase habitual, muestran grandes cualidades frente al ordenador.

La hipótesis de partida ha sido la siguiente: el ordenador puede ayudar mucho a los estudiantes a crear una intuición de los distintos fenómenos físicos, a través de un conjunto rico de experiencias no encontradas en la vida diaria, ni en el laboratorio.

Esta intuición de los distintos fenómenos, constituye una buena base sobre la que cimentar la comprensión de conceptos mucho más complejos.

 

Creación de los programas interactivos (applets)

La creación de un programa educativo es un proceso complejo que requiere un conocimiento de la materia que se va a programar, de procedimientos numéricos, del lenguaje de programación, y sobre todo, de la interacción entre los estudiantes y el programa de ordenador.

En general, para crear un programa interactivo en el campo de la Física se han de seguir los siguientes pasos, no necesariamente en orden consecutivo:

  1. Elegir el tema o tópico que se desea enseñar de forma interactiva, enunciando los objetivos educativos que se pretenden con el programa.
  1. Plantear la situación física concreta, traduciéndola a líneas de código.
  1. Diseñar la interfaz o medio de comunicación entre el usuario y el programa, para: introducir los valores iniciales, controlar la evolución del sistema y presentar los resultados en forma de texto, representación gráfica o una animación.

Se ha de tener en cuenta la diferencia en la percepción que tiene el usuario de una aplicación (Windows) y de un applet insertado en una página web. En este último caso, la interfaz de usuario debe simplificarse al máximo posible.

  1. Describir claramente el propósito del programa, los fundamentos físicos, el modo de utilización, las actividades a desarrollar, de una forma semejante a una práctica de laboratorio habitual. De esta manera, se asiste al estudiante para que desarrolle una actividad ordenada que le conduzca hacia los objetivos previstos para dicho programa.

 

Las simulaciones en Física

Cada uno de los 145 programas interactivos tiene unos objetivos concretos y un diseño totalmente diferente. Por tanto, es difícil clasificarlos en distintas categorías. Se han simulado numerosos fenómenos físicos, experiencias de laboratorio, problemas interactivos, etc.

En la figura 1, se muestra una imagen de un applet insertado en una página que explica el movimiento general de un sólido rígido.

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Figura 1. Movimiento general de un sólido rígido

La simulación de experiencias de laboratorio, se pueden dividir en dos categorías, aquellas que se pueden llevar a cabo en el laboratorio escolar, pero no tienen la intención de sustituir a las experiencias reales, sino de servir de preparación a las mismas. Como ejemplo podemos poner, el estudio de los movimientos rectilíneos, el calibre, la balanza, etc.

Ahora bien, la simulación de experiencias de laboratorio es un buen recurso didáctico cuando aquellas son inaccesibles al laboratorio escolar, bien por ser costosas, peligrosas o difíciles de montar. Por ejemplo, algunos applets simulan aparatos como el espectrómetro de masas o los aceleradores de partículas, etc. [5]

En la figura 2, se muestra una imagen de un applet que simula la experiencia de la medida de la densidad de un sólido con una balanza. Mediante este ejemplo se introduce a los estudiantes en el cálculo de los errores de las medidas indirectas.

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Figura 2. Medida del volumen de un sólido irregular sumergido en agua.

También, se han recreado experiencias relevantes desde el punto de vista histórico, por ejemplo, las que dieron lugar al descubrimiento del electrón, de la estructura atómica, de la cuantización de la energía, etc. A este tipo de simulaciones nos referiremos en la siguiente sección de este artículo.

La resolución de problemas es una parte esencial de la enseñanza de la Física a nivel universitario. En los libros de texto, los enunciados proporcionan toda la información necesaria para resolver el problema. Sin embargo, en algunos applets del Curso Interactivo en vez del enunciado se muestra una animación, (figura 3) y a veces se requiere que el estudiante realice medidas de parámetros relevantes.

Con estos applets pretendemos ayudar a los estudiantes a desarrollar mejores estrategias en la resolución de problemas y a la vez, les sirva de estímulo para resolverlos [6]

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Figura 3. El bucle. La partícula se pone en movimiento comprimiendo el muelle.

Los problemas-juego (figura 4) son un tipo de problemas que se pueden resolver con la ayuda de la intuición y del conocimiento que va adquiriendo el estudiante del sistema físico tras sucesivos intentos. Posteriormente, se le pedirá resolverlos aplicando las ecuaciones que describen dicho sistema y a partir de los datos que se proporcionan.

En general, el propósito de los problemas-juego es el de hacer una Física más divertida y el de estimular al estudiante en la resolución de problemas.

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Figura 4. Bombardeando un blanco móvil desde un avión

Finalmente, se examinan algunos temas complementarios destinados a alumnos avanzados, como la Física en el juego del baloncesto, la introducción al régimen caótico (figura 5) o temas relevantes desde el punto de vista de la historia de la Física como el concepto de campo.

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Figura 5. Bifurcaciones y régimen caótico

 

La historia de la Física en la enseñanza de las Ciencias.

La Historia de la Física está llena de grandes científicos como Galileo, Newton o Einstein, etc., cuyas contribuciones han sido decisivas, pero también de un número muy grande de científicos cuyos nombres no aparecen en los libros de texto. No existe el genio aislado al que de repente se le ocurre la idea clave que cambia el curso de la Ciencia. El avance en el progreso científico no se produce solamente por las contribuciones aisladas y discontinuas de unas mentes privilegiadas.

A Newton no se le ocurrió la ley de la Gravitación Universal al ver caer la famosa manzana sentado en las proximidades de un árbol. Pocos conocen que, aunque Newton formuló por primera vez una teoría completa de la gravitación, veinte años antes Hooke había llegado a la conclusión de que "diríase que los objetos materiales eran atraídos hacia el centro de la Tierra con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa".

Otros muchos ejemplos se pueden mencionar, que confirmarían que la evolución de las ideas de la Física y la aparición de nuevas teorías son hechos que se suceden con una continuidad mucho mayor que la que sugieren los libros de texto. El mayor mérito de los grandes físicos radica más en la fundamentación de las hipótesis y en la completitud de sus formulaciones que en la verdadera originalidad de las mismas.

Hay partidarios del uso de la historia en la enseñanza de la Física por varias razones:

  1. Para apreciar el estado actual de nuestro conocimiento científico en comparación con épocas previas.
  2. Como hechos que debemos conocer para incrementar nuestra cultura.
  3. Para motivar a estudiantes interesados en aspectos filosóficos y sociales de la ciencia.
  4. El aspecto más importante de la historia de la ciencia, a nuestro entender, es la posibilidad de adquirir una visión actual y rigurosa de la evolución de nuestra imagen del mundo físico, que está en no pocas ocasiones en contradicción con la imagen simplificada que nos han contado, o que presentan algunos libros de texto.

En las investigaciones en didáctica de la Física y en particular, en el campo de la Mecánica, se ha destacado el paralelismo existente entre las dificultades que tienen los estudiantes para entender las leyes del movimiento con el desarrollo histórico de la Física, desde Arsitóteles a Newton, pasando por Galileo [7].

Sin embargo, en la teoría de campos parece no existir este paralelismo [8]. Las respuestas de los alumnos nos indican que realizan tentativas para explicar las cuestiones y problemas planteados, sin que estas tengan que ver con el desarrollo histórico de la electricidad.

El Curso Interactivo de Física en Internet, no tiene como objetivo la historia de la Física, ni las biografías y contribuciones de científicos notables. Sin embargo, un aspecto relevante que siempre ha llamado la atención del autor de este artículo, es la de conocer cómo nace y se desarrolla la idea de campo [9], que no tiene nada que ver con experiencias sensoriales concretas.

Se han incluido varias páginas web en la que se cuenta de forma resumida que la idea de campo no nace, en contra de lo que pudiera parecer, de un desarrollo tecnológico o de la necesidad de explicar un conjunto de fenómenos, sino de una Metafísica de la naturaleza (del conjunto de principios que rigen nuestra representación del mundo), elaborada por Descartes, modificada por Newton y Kant que influyeron en Oersted y Faraday, y que se oponía a las teorías dominantes de la acción a distancia de los seguidores de Newton (Laplace, Ampère, etc.)

Maxwell asume el inmenso legado de Faraday, efectuando algunos cambios. Con él la idea de campo adquiere una formulación matemática precisa. Las ecuaciones de Maxwell constituyen uno de los éxitos más brillantes de la historia de la Física, culminados con el descubrimiento de las ondas electromagnéticas por Hertz.

También, se describen las contribuciones de Lorentz, creador de la electrodinámica y Einstein que con su teoría de la Relatividad da lugar a la desaparición del éter y al nacimiento de una nueva mecánica.

 

Experiencias en Electromagnetismo

Como ejemplo de experiencias relevantes desde el punto de vista histórico en electromagnetismo señalamos las siguientes:

Medida de la relación carga/masa. Experimento de Thomson

En este programa interactivo (figura 6) se ha tratado de reproducir las características esenciales del experimento real llevado a cabo por Thomson a finales del siglo XIX. El experimento tenía por objeto describir la naturaleza corpuscular de los denominados rayos catódicos.

El experimento consta de dos fases

  • La determinación de la velocidad del haz de electrones mediante un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares entre sí y a la dirección del haz. Se ajusta la magnitud de los campos hasta hacer que el haz no se desvíe.
  • Una vez conocida la velocidad de los electrones, se procede a la determinación de la relación carga/masa, midiendo la desviación del haz bajo la acción del campo eléctrico existente entre las placas del condensador.

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Figura 6. Desviación de un haz de electrones por el campo eléctrico de un condensador.

 

Medida de la unidad fundamental de carga. Experiencia de Millikan

Thomson determinó en el siglo XIX la relación carga/masa de los electrones y se dio cuanta que sus medidas mostraban que la cuantización de la carga era posible y que podía existir una porción mínima de carga eléctrica; aún así, había bastantes físicos que opinaban que los rayos catódicos o anódicos tenían naturaleza ondulatoria. Por tanto, la experiencia de Thomson fue un importante argumento, pero no decisivo, de la existencia del electrón. La medida de su carga fue realizada por el físico americano Millikan en 1909.

En la experiencia simulada (figura 7), se determina la cantidad de carga que lleva una gotita de aceite. La experiencia consta de dos partes realizadas con la misma gotita.

  1. La determinación de la su masa o radio midiendo la velocidad de caída en ausencia de campo eléctrico.
  2. La determinación de su carga midiendo la velocidad en presencia de campo eléctrico.
  3. Se comprueba que el valor de la carga de cada gota es un múltiplo entero de la cantidad 1.6 10-19 C.

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Figura 7. Medida de la carga de una gotita de aceite con el campo eléctrico conectado

 

El ciclotrón

El método directo de acelerar iones utilizando la diferencia de potencial presentaba grandes dificultades experimentales asociados a los campos eléctricos intensos. El ciclotrón evita estas dificultades por medio de la aceleración múltiple de los iones hasta alcanzar elevadas velocidades sin el empleo de altos voltajes.

La mayoría de los actuales aceleradores de partículas de alta energía descienden del primer ciclotrón de protones de 1 MeV construido por E. O. Lawrence y M. S. Livingstone en Berkeley (California). El artículo original publicado en la revista Physical Review, volumen 40, del 1 de abril de 1932, titulado "Producción de iones ligeros de alta velocidad sin el empleo de grandes voltajes", describe este original invento.

El estudio del ciclotrón se ha dividido en dos programas:

  • En el primero se tratará de visualizar la trayectoria seguida por un ion en un ciclotrón, y conocer los factores de los que depende la energía final, cuando alcanza las paredes del ciclotrón (figura 8).
  • En el segundo programa, se tratará de determinar la frecuencia de resonancia del ciclotrón. Es decir, la frecuencia del potencial oscilante para que el ion sea siempre acelerado.

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Figura 8. Trayectoria seguida por un protón en un ciclotrón.

 

Experiencias en Mecánica Cuántica

En Mecánica Cuántica son muy pocas las experiencias relevantes que puede realizarse en el laboratorio escolar. Las complejidades de las experiencias reales, y los tiempos normalmente cortos en los que ocurren, ocultan el proceso físico. Mediante simulaciones en el ordenador se puede prescindir de los aparatos de medida y del exterior al sistema en estudio, visualizándose el proceso físico, acelerándose o retardándose según convenga.

El primer capítulo de esta unidad, está dedicado a la dispersión de partículas, y puede estudiarse en la Mecánica, en el capítulo dedicado a las fuerzas centrales y conservativas, y también, en el estudio de la interacción eléctrica. Sin embargo, por la trascendencia histórica de la experiencia de Rutherford en el descubrimiento de la estructura atómica se suele colocar al principio del estudio del átomo.

Continuamos con otras experiencias claves que ayudaron a establecer las teorías modernas del átomo: La descripción de la densidad de energía de un cuerpo negro por Max Planck, efecto fotoeléctrico y la explicación que dio Einstein del mismo, el efecto Compton, la experiencia de Frank-Hertz, y la experiencia de Stern-Gerlach.

 

Experiencia de Rutherford

La experiencia de Rutherford fue crucial en la determinación de la estructura atómica. Los párrafos que siguen son un extracto de su propia comunicación (1911):

"Es un hecho bien conocido que las partículas alfa y beta sufren desviaciones de sus trayectorias rectilíneas a causa de las interacciones con los átomos de la materia.

Parece indudable que estas partículas de movimiento veloz pasan en su recorrido a través de los átomos, y las desviaciones observadas son debidas al campo eléctrico dentro del sistema atómico.

Las observaciones de Geiger y Mardsen sobre la dispersión de partículas alfa, indican que algunas de estas partículas deben de experimentar en un solo encuentro desviaciones superiores a un ángulo recto.

Un cálculo simple demuestra que el átomo debe de ser asiento de un intenso campo eléctrico para que se produzca una gran desviación en una colisión simple..."

En la simulación de la experiencia de Rutherford (figura 9), consideramos una muestra de un determinado material a elegir entre varios y la situamos en el centro de un conjunto de detectores dispuestos a su alrededor. El blanco es bombardeado por partículas alfa de cierta energía producidas por un material radioactivo. Se observa que muy pocas partículas son desviadas un ángulo apreciable, y se producen muy raramente sucesos en los que la partícula alfa retrocede.

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Figura 9. La fuente de partículas alfa, el blanco y los detectores

 

El cuerpo negro

Hace ahora cien años Max Planck introducía los denominados cuantos de energía, modificando radicalmente la historia precedente de la Física. La aparición de elementos discretos de energía vino asociada al descubrimiento de una ley para la distribución de la densidad de energía de la radiación de un cuerpo negro.

Un cuerpo negro es una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, la densidad de energía del campo electromagnético en la cavidad es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

La hipótesis de Planck es que cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una cantidad proporcional a n . Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad hn .

Antes de Planck el cuerpo negro había suscitado singular interés. Era conocida la curva experimental de la densidad de la energía radiante en función de la longitud de onda (o de la frecuencia), y se habían establecido algunas de sus propiedades denominadas ley del desplazamiento de Wien y la ley de Stefan-Boltzmann.

Los programas interactivos diseñados ayudan a comprender estas dos leyes. Además, se ha simulado una experiencia idéntica (figura 10) a otra que se puede llevar a cabo en el laboratorio para comprobar la validez experimental de la ley de Strefan-Boltzmann.

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Figura 10. Comprobación experimental de la ley de Stefan-Boltzmann

 

El efecto fotoeléctrico

La emisión de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la acción de la radiación se denomina efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica. Sus características esenciales son:

  • Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación.
  • La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.

El objetivo de la práctica simulada (figura 11) es la determinación de la energía de arranque de los electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de un conjunto de lámparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales que van a ser iluminadas por la luz emitida por esas lámparas especiales.

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Figura 11. Medida de la constante h de Planck

 

El efecto Compton.

La difusión de la radiación electromagnética por electrones libres es un proceso doble por el cual un electrón absorbe energía de una onda electromagnética y la vuelve a irradiar como onda dispersada.

Cuando se analiza la radiación electromagnética que ha pasado por una región en la que hay electrones libres, observamos que además de la radiación incidente, hay otra de frecuencia menor dispersada por los electrones libres. Cuando se mide la frecuencia o la longitud de onda de la radiación dispersada vemos que depende de la dirección de la dispersión.

Sea l la longitud de onda de la radiación incidente, y l la longitud de onda de la radiación dispersada. Compton encontró que la diferencia entre ambas longitudes de onda estaba determinada únicamente por el ángulo q de dispersión, del siguiente modo

donde l C es una constante que vale 2.4262 10-12 m

Se obtiene esta fórmula a partir del estudio de un choque elástico entre un fotón y un electrón inicialmente en reposo.

En el programa interactivo (figura 12) se simula este fenómeno interesante observado por primera vez y explicado por el físico americano Compton, en la década de los años 20.

Cuando los estudiantes realizan la experiencia simulada se les pide que calculen la constante l C y a partir de ésta y los valores de la masa del electrón y la velocidad de la luz, calculen la constante h de Planck

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Figura 12. Choque elástico de un fotón y un electrón inicialmente en reposo

 

La experiencia de Frank-Hertz. La evidencia de los estados estacionarios

La experiencia que realizaron Frank y Hertz en 1914 es uno de los experimentos claves que ayudaron a establecer la teoría atómica moderna. Nos muestra que los átomos absorben energía en pequeñas porciones o cuantos de energía, confirmando los postulados de Bohr. Mediante una simulación (figura 13) se tratará de explicar las características esenciales de este sencillo experimento, observando el movimiento de los electrones y sus choques con los átomos de mercurio, e investigando el comportamiento de la corriente Ic con la diferencia de potencial U que se establece entre el cátodo y la rejilla.

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Figura 13. La experiencia de Frank-Hertz, y los resultados experimentales

 

La experiencia de Stern-Gerlach. Descubrimiento del espín del electrón

La Tierra además de su movimiento orbital alrededor del Sol, tiene un movimiento de rotación alrededor de su eje. Por tanto, el momento angular total de la Tierra es la suma vectorial de su momento angular orbital y su momento angular de rotación alrededor de su eje.

Por analogía, un electrón ligado a un átomo también gira sobre sí mismo, pero no podemos calcular su momento angular de rotación del mismo modo que calculamos el de la Tierra en función de su masa, radio y velocidad angular.

La idea de que el electrón tiene un movimiento de rotación fue propuesta en 1926 por G. Uhlenbeck y S. Goudsmit para explicar las características de los espectros de átomos con un solo electrón. La existencia del espín (rotación) del electrón está confirmada por muchos resultados experimentales, y se manifiesta de forma muy directa en el experimento de Stern-Gerlach, realizado en 1924.

En la simulación (figura 14) de este experimento, se comprobará la existencia del espín del electrón observando que un haz de átomos se divide en dos trazas simétricas al eje X. A partir de la medida de la desviación del haz, determinaremos el valor del magnetón de Bohr.

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Figura 14. Evidencia experimental del espín del electrón

 

Conclusiones

Aunque los ordenadores se han usado poco en el ámbito educativo tienen en sí mismos un gran potencial para mejorar sustancialmente el proceso de enseñanza/aprendizaje a fin de que

  • El aprendizaje sea más interesante
  • El aprendizaje sea activo, no pasivo como ocurre frecuentemente en nuestras aulas.
  • Los estudiantes estén más motivados. La motivación no es equivalente al entretenimiento.
  • El aprendizaje sea al ritmo del estudiante individual, no podemos esperar que todos los estudiantes aprendan todo el material en el mismo periodo de tiempo.
  • La educación sea permanente.

Los programas interactivos o applets tratan de facilitar la comprensión de las experiencias reales, o bien incrementar el número de experiencias que realiza un estudiante a lo largo del curso. Las simulaciones, en un amplio sentido, pueden ayudar a los estudiantes a aproximarse a una gran variedad de fenómenos que para ellos son difíciles de comprender desde el punto de vista analítico.

La aplicación de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación en el ámbito escolar, en todos los niveles es quizás, uno de los principales desafíos de la educación en este final de siglo.

Internet es imprescindible para la educación, no solamente por que se trata de un medio didáctico de posibilidades insospechadas, sino por sus cualidades intrínsecas: el uso eficaz de Internet, se está convirtiendo en un contenido educativo: navegar por las páginas web, bajar archivos, enviar y recibir mensajes, participar en debates, elaborar la propia web, etc. formarán parte de las tareas cotidianas de un estudiante.

El éxito de Internet en el ámbito educativo dependerá del esfuerzo presupuestario, organizativo, y de creación de contenidos que sean capaces de llevar a cabo las personas individuales y las entidades implicadas en la Educación: profesores, centros de enseñanza, gobiernos, ...

El Curso Interactivo de Física en Internet es una experiencia que ha tenido un eco favorable en la comunidad educativa, pero es muy pronto para extraer conclusiones acerca de su efectividad educativa.

El trabajo realizado es una apuesta de futuro, que tendrá que ser perfeccionado, a medida de que dispongamos de mayor experiencia, y de nuevos datos resultado de la observación de la interacción estudiante-ordenador.

La creación de contenidos interactivos es un proceso arduo y que lleva mucho tiempo. El desarrollo de nuevos cursos no debería ser una iniciativa personal de unos cuantos profesores, sino que debería llevarse a cabo por un amplio equipo a escala nacional o internacional formado por profesores experimentados que trabajen con distintos tipos de estudiantes.

 

Referencias

[1] The Learning Connection. Benton Foundation. www.benton.org/Library/Schools

[2] Conclusiones CONIED’99. I Congreso Nacional de Informática Educativa. Puertollano, Noviembre de 1999. Publicado en ADIE Revista de Enseñanza y Tecnología, nº 13, septiembre-diciembre de 1999, pág. 42.

[3] Se accede al Curso Interactivo de Física en Internet en la dirección

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm

[4] Franco A. Nuevas formas de enseñar. Desarrollo de un curso interactivo de Física en Internet. Revista Española de Física. V-12, nº 4, (1998)

[5] Franco A. La Simulación de Fenómenos Físicos y Experiencias de Laboratorio en Internet. I Congreso Nacional de Informática Educativa. Puertollano, Noviembre de 1999

[6] Franco A. El Curso Interactivo de Física en Internet. Los problemas y sus soluciones. ADIE, revista de Enseñanza y Tecnología. Septiembre – Diciembre de 1999, pág. 5-14.

[7] Casadellá Rig, Bibiloni Matos. La construcción histórica del concepto de fuerza centrípeta en relación con las dificultades de aprendizaje. Enseñanza de las Ciencias, V-3, nº 3, 1985, pág. 217-224.

[8] Furió C., Guisasola J. ¿Puede ayudar la historia de la ciencia a entender por qué los estudiantes no comprenden los conceptos de carga y potencial eléctrico?. Revista Española de Física, V-7, nº 3, 1993, pág. 46-50.

[9] Berkson W. Las teorías de los campos de fuerza. Desde Faraday hasta Eisntein. Alianza Editorial (1985).