Seqüenciació al llarg de l’escolaritat bàsica (Sistemes físics)

Seqüenciació al llarg de l’escolaritat bàsica (Sistemes físics)

Digna Couso i Julià Hinojosa

De les dues formes de mirar privilegiades de la física clàssica, prioritzem en aquesta proposta el model d’interaccions. Creiem que és un model que pot servir als alumnes per començar a mirar el món com ho fa la física, presenta un grau d’abstracció menor que el d’energies i té més potencial a l’hora d’explicar fenòmens quotidians (el moviment en els jocs d’un parc infantil, en vehicles, en joguines, en atraccions…). 

Interessa molt, per exemple, la descripció cinemàtica (com es mou un objecte, de què depèn que es mogui, etc.), així com l’explicació dinàmica d’aquests moviments, que són concretes i intuïtives. 

Les interaccions expliquen els canvis i, per contra, el model d’energies només diu què pot o no passar en unes condicions determinades. Això no vol dir, però, que a primària no sigui important parlar de fonts d’energia o primeres transferències/cadenes energètiques per veure que es va “perdent” la qualitat de l’energia, convertint-se en menys aprofitable.

El model d’interaccions també és interessant per donar més sentit al model Sol-Terra, en facilitar la descripció del moviment i una idea de gravetat adequada. Per això, una proposta és començar per la descripció del moviment (un primer pas necessari o  pre-requisit), i finalitzar per interpretar el fenomen de la flotació, que generalment no s’explica en funció de les interaccions. 

Així, les i els alumnes poden apreciar la potencialitat d’explicació d’aquest model, que interpreta els canvis físics més comuns, com són els de l’estat del moviment.

Durant l’educació primària -que de fet ja es poit iniciar el treball a l’etapa infantil i a la darrera enllaça amb la d’ESO-, aquesta mirada de la física escolar relacionada amb el model d’interaccions mecàniques, es desenvolupa en diverses etapes, que es descriuen a continuació:

1r estadi
Descriure moviments senzills

En un primer estadi els infants aprenen a descriure moviments senzills que fan ells mateixos, diferenciant entre alguns tipus senzills de trajectòria (recta, corba,..) i parlant o no de la rapidesa. En general, es tractaran de canvis de moviment senzills que es poden mesurar qualitativament amb cordes i altres estris, i representar dibuixant el camí.

Deformacions

En els cas de les deformacions, es poden treballar les propietats dels materials elàstics, plàstics i rígids.

Canvis de moviment

En aquest primer estadi, els infants també poden començar a descriure les situacions on hi ha canvis de moviment i les accions associades als mateixos. En cas de començar a atribuir causes, els canvis seran producte de les accions d’agents vius o actius, i generalment per contacte. Els infants parlaran indistintament del que es fa a l’objecte (empentes o estirades) i d’allò que es posa en lloc per fer-ho (energia de la pila, donar corda a la joguina, etc.) com a accions que causen els canvis.

2n estadi
Descripció dels moviments amb més profunditat

En un segon estadi, es començaran a descriure més formalment els moviments, aprofundint en els conceptes associats a l’espai i el temps: posició, trajectòria, distància. Es poden mesurar en les seves unitats i començar a representar amb més precisió en una dimensió. També es parlarà de rapidesa, incloent de forma indiscriminada velocitat i acceleració.

Referència a l'acció d'un objecte sobre un altre

A més a més, les referències a les accions i formes en què provocar canvis, tot i ser de molts tipus, es començaran a agrupar en empentes i estirades que fa un objecte A, generalment actiu, a un objecte B. Algunes es començaran a anomenar de forma diferenciada, amb noms quotidians (per exemple, fregament), però d’altres es descriuran en funció del que passa (“el cop o la força que fa la molla”).

Introducció de noves forces

S’introduiran també, explícitament, forces a distància, en particular la força de gravetat i la força magnètica. Algunes forces es veuran encara com propietats del cos (pes, elasticitat) més que com estirades que li fa un cos a un altre.
Aquestes forces i moviments s’estudiaran en varietat de contextos quotidians, com els jocs del parc, les joguines, les màquines simples o les construccions de màquines d’efectes encadenats, sempre intentant identificar qui o què empeny o estira de qui o què, i què canvia en fer-ho.

3r estadi
Representació en gràfics

En un tercer estadi ja es descriuen i representen en gràfics els moviments, precisant les variables espacials i començant a diferenciar qualitativament entre velocitats constants i variables (objectes que van cada cop més ràpids o cada cop més lents). Es poden començar a treballar les relacions entre espai, temps i velocitat de manera qualitativa.

Caràcter vectorial i equilibri de forces

S’introduirà qualitativament la idea del caràcter vectorial de la força, experimentant què passa quan es fa la mateixa força en diferents direccions i sentits. Es comença a introduir la idea d’equilibri de forces.

Relació entre força i efecte

Respecte a les causes de les empentes i les estirades, s’associaran a forces o interaccions que es fan els objectes els uns als altres, i que tenen com a efecte sempre el canvi en l’estat de moviment o la deformació. El valor o intensitat de la força es pot començar a mesurar amb el dinamòmetre i s’investigarà la relació entre força i efecte, analitzant situacions senzilles on es pugui comprovar que més força implica més canvi.

4t estadi
Explicació de diferents fenòmens i experiments

Alhora, els alumnes utilitzen també el model d’interaccions per explicar qualitativament altres fenòmens, com ara la caiguda lliure. Poden fer i prendre mesures adients d’experiments senzills com la llei de Hooke, de manera que relacionen més força amb més canvi de moviment.

Descripció avançada del moviment i la força

En un estadi més avançat, els estudiants descriuen el moviment i el saben representar de formes variades. Mesuren distància i durada dels moviments i saben calcular la velocitat mitjana. Els alumnes associen els canvis de velocitat i les situacions d’equilibri de forces al fet que hi hagi o no una força neta o resultant, i ho saben representar amb fletxes que qualitativament representen intensitat i direcció.

La massa com a inèrcia

Es comença a introduir també la influència de la massa com a inèrcia o resistència a canviar de moviment, tot empenyent igual cotxes més o menys carregats.

La gravetat

Es treballa la gravetat, és a dir, la idea de pes com a força que fa la Terra en els cossos, sense aprofundir en diferenciar pes i massa. Es pot parlar de diferents gravetats en la Terra i la Lluna, en tant que propietat dels planetes.

Final de primària

Estem treballant en els materials referents a la ESO, disculpeu les molèsties

Idees clau (Sistemes físics)

Idees clau (Sistemes físics)

Digna Couso. Neus Sanmartí.

El model per a l’estudi dels fenòmens físics es treballa a tots els cicles.  De qualsevol fenomen físic que poguem analitzar aprofundim, de manera interrelacionada, en les idees següents:

ESTRUCTURA

Masses i càrregues puntuals

Objectes físic i idealitzats

L’estructura de les entitats dels fenòmens físics, que poden ser masses i càrregues puntuals, però que a la física escolar són generalment objectes reals idealitzats formats per combinacions de les dues, a escales petites i grans. Un cos a física és qualsevol objecte viu o inert del món, a qualsevol escala, que idealitzem fins quedar-nos amb allò necessari per explicar el canvi que volem interpretar. Així, per fer-ho en relació al canvi de posició d’un cotxe o a la caiguda d’un cos, n’hi ha prou amb considerar la massa i un punt del cos. Per explicar l’atracció d’un imant a un clau de ferro, però, necessito a més a més tenir en compte com de magnètics són els dos.

En què em fixo del cos per observar el canvi?

Què del cos canvia i què queda igual?

Com són els cossos que canvien així?…

CANVIS I PROCESSOS

Fonamentals: gravitatòria, electromagnètica…

Forces: fricció, tensió, normal…

Les interaccions que es donen, que en física escolar treballem només com a interaccions mecàniques o newtonianes, enteses normalment com a empentes o estirades que els cossos es fan els uns als altres per contacte i a distància. Així, incloem aquí la força gravitatòria sobre els objectes (el pes), però també la força que els fan les superfícies en estar en contacte (normal), la fricció en fregar amb altres cossos, la tensió que es transmet per cordes o altres objectes rígids, la força que fan els cossos elàstics en intentar tornar a la seva posició, l’atracció o repulsió magnètica, etc. 

Ens fixem en: Qui estira de qui? Què l’empeny?

Quin és el resultat d’estirar-lo? Quina propietat del cos fa que noti l’estirament?

Aquestes interaccions les podem tenir en compte o no per explicar, alternant així entre el MCE d’interaccions i el d’energies.

CONTROL-REGULACIÓ

Velocitats << C (velocitat de la llum)

Conservació de l’energia i augment de l’entropia en un sistema tancat

Conservació de la matèria en un sistema tancat

En els canvis físics també tenim sempre limitacions o principis que actuen com a controls o regulació. Alguns d’ells es compleixen en totes les formulacions o paradigmes de la física (com els principis de la termodinàmica). Aquests principis o regles del joc actuen limitant i regulant allò que pot passar en els fenòmens físics, és a dir, defineixen què és possible en cada paradigma.

A la física escolar, aquests fan referència a la conservació de l’energia i augment de l’entropia (del desordre), així com a les limitacions que nosaltres mateixos puguem imposar al sistema (per exemple, que sigui un canvi sostenible, ràpid, durador, segur, etc.).

Escala
Temps

Alhora, la forma de mirar de la física involucra diferents escales d’espai, temps i també velocitat... Tenim fenòmens de durades molt curtes (per exemple, el decaïment radioactiu) i de durades infinites (l’expansió de l’univers), que afecten a cossos enormes i als àtoms. Respecte al temps, la física privilegia una forma de mirar que dona valor a diferenciar les situacions estàtiques de les dinàmiques, on l’abans i el després generalment es relacionen amb el procés d’arribada a l’equilibri.

A la física escolar resulta molt fructífer aquest enorme rang escalar, que ens permet treballar igual amb una bala de metall que amb el Sol, i utilitzar uns com a model analògic dels altres.

Com mira el món la física?

Model per explicar i interpretar fenòmens físics

Digna Couso

Julià Hinojosa

La física és la part de la ciència que estudia la matèria i l’energia i les interaccions entre ambdues. Té per objectiu comprendre i aprofitar les característiques dels fenòmens físics a partir de l’estudi de les seves interaccions i de l’aplicació dels principis de conservació que se suposa que es compleixen a l’univers.

Canvis físics


La física s'aplica a tot l'univers conegut i n'estudia els canvis físics. Aquests, són canvis que es donen en els cossos en els quals no hi ha una modificació de la composició del cos que fa que deixi de ser el que era, a diferència dels canvis químics. En els canvis físics hi ha canvi, però no transformació

Són exemple de canvis físics els canvis de posició, de temperatura, de pressió, de concentració, d'estat, de compressió, d'alçada, de velocitat, d'imantació, de càrrega, etc.

Tots aquests canvis es produeixen degut a les interaccions que els cossos es fan els uns als altres, i tots segueixen unes certes regles del joc que són principis fonamentals de l'univers i depenen del paradigma i l'escala en les quals ens situem.

Paradigmes


Per l’objectiu que ens ocupa, el de la física escolar bàsica, en tenim prou amb situar-nos en el paradigma clàssic o newtonià, on les escales van d’allò microscòpic fins allò cosmològic. Tot i l’interès que creiem que té reflexionar en algun moment sobre quina física s’hauria de treballar al segle XXI, també pensem que l’objectiu bàsic, especialment a l’educació primària, és compartir la forma de mirar de la física per diferenciar-la d’altres. I per això, la física clàssica és un exemple excel·lent que tracta fenòmens propers. En aquest marc, es deixen de banda els efectes relativistes, ja que les velocitats són petites comparades amb les de la llum, i podem negligir els efectes quàntics (l’escala és molt superior a l’atòmica).

La física clàssica estudia les interaccions per explicar els motius dels canvis físics que es produeixen. Així, des d’aquesta forma de mirar els canvis, s’analitzen dues de les quatre interaccions fonamentals que es donen entre els cossos: la interacció gravitatòria i l’electromagnètica. Aquestes interaccions es relacionen amb les propietats dels cossos, i de fet són la manifestació d’aquestes propietats.

Mirar els canvis des de les interaccions


GRAVITATÒRIA, Els cossos, pel fet de tenir massa, interaccionen gravitatòriament. Aquesta interacció fa que s'atreguin els uns als altres, sent només perceptibles les atraccions produïdes pels cossos molt massius. Per exemple, la Terra ens atrau a tots -el pes-.

ELECTROMAGNÈTICA, Els cossos, pel fet de tenir càrrega i depenent d’on i com estiguin configurats i com de lliures siguin, poden interaccionar electromagnèticament. Aquesta interacció es pot donar en forma d’atraccions o repulsions segons si estan carregats o imantats amb diferent o igual signe.

A nivell macroscòpic, qualsevol interacció o força entre cossos és generalment una combinació d’aquestes interaccions fonamentals. Per exemple, la força de fricció no és més que el producte de complexes interaccions electromagnètiques entre els àtoms de les superfícies d’objectes en contacte.

L’estudi de les interaccions en els fenòmens físics és molt complexa. Tots els cossos interaccionen amb tots, i s’han de fer moltes idealitzacions i menysprear moltes d’elles per, en una primera aproximació, poder predir i explicar comportaments. En algunes situacions, de fet, explicar perquè es produeix un canvi físic concret és tan complex que la justificació deixa de ser útil a nivell qualitatiu. De vegades, inclús, simplement ens interessa més saber com passa el canvi que no pas per què passa. És a dir, és suficient amb seguir la pista dels canvis, saber la magnitud de canvi possible i poder predir fins a quin punt canviarà (que sovint s’expressa per mitjà de ‘lleis’ explicitades en relacions matemàtiques).

Mirar els canvis des de la termodinàmica


Tanmateix, a la física hi ha una altra forma de mirar els canvis físics, que anomenem termodinàmica, que s’ocupa dels límits i conservacions d’aquests canvis per poder predir comportaments. En aquesta visió, es parteix de les premisses o principis que diuen que l’energia es conserva a l’Univers i en el sistemes tancats (primer principi de la termodinàmica), i que l’energia es degrada, és a dir, cada vegada és menys aprofitable (segon principi de la termodinàmica), per predir quins canvis poden passar i aprofitar-los.

Model científic escolar


Entendre quina és la mirada de la física sobre els fenòmens de canvi físic implica triar quina de les dues mirades volem aplicar. En la física escolar parlem del Model Científic Escolar (MCE) d’interaccions mecàniques (newtonianes) i el MCE d’energies (termodinàmica). A primària tots dos models s’han de començar a utilitzar.

Entendre i dominar aquesta mirada no és fàcil per als estudiants. La casuística de canvis físics és enorme. Les interaccions que es produeixen són molt variades i es treballa alhora amb moltes escales diferents. Les explicacions o interpretacions han de ser molt abstractes per poder generalitzar una casuística tan gran de fenòmens. Crèiem que no podem defugir, però, de compartir aquesta forma de mirar, ni tan sols en les seves aplicacions més senzilles, properes, quotidianes i a l’escala meso. Per fer-ho, cal un exercici de reconstrucció educativa profund, que és en el que ens embarquem. Així, des de la mirada sistèmica que compartim, les dues formes de mirar de la física, la centrada en interaccions i la que evita les interaccions, tenen aspectes en comú.

Model per a explicar i interpretar fenòmens físics

Model per a explicar i interpretar fenòmens físics

Digna Couso

Julià Hinojosa

En aquest apartat es recull una proposta orientativa de programació al voltant de l’estudi dels fenòmens físics a l’etapa d’educació primària. És una proposta exhaustiva per tal que l’escola pugui decidir com distribueix els continguts al llarg dels cicles i cursos, i de manera que cada mestre pugui escollir els que treballa i a quin nivell d’aprofundiment en funció de l’etapa i de les característiques i interessos del seu alumnat.