APROXIMACIÓN A UNA PROPUESTA DIDÁCTICO- EXPERIMENTAL QUE INTEGRE NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA ENSEÑANZA DE LAS
OSCILACIONES DE UN SISTEMA MASA - RESORTE M. Fonseca, A. Hurtado, C. Lombana, O. Ocaña
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Proyecto Curricular Licenciatura en Física, Grupo “Física e Informática”
fisinfor@udistrital.edu.co RESUMEN
En la actualidad, con el advenimiento de las nuevas tecnologías y los métodos de enseñanza basados en prácticas experimentales, han venido cambiando el quehacer en el aula de clase, en el laboratorio de física y en el aula de informática. Se presenta una aproximación a una propuesta didáctica que integre los sistemas de adquisición de datos, COBRA 3 [1] y el software de simulación Interactive Physics [2], permiten implementar una alternativa de trabajo en el aula en los cursos de Mecánica, Vibraciones y Ondas, e Informática que se imparten a los estudiantes de Licenciatura en Física.
Se propone una situación problema de la fenomenología de las oscilaciones, en este caso un sistema masa resorte, para determinar una relación experimental entre la frecuencia o periodo de oscilación y la masa del objeto que se suspende del resorte. La solución y análisis incluye regresión lineal, alisamiento de datos y análisis de Fourier.
ABSTRACT
At the present time, with the coming of the new technologies and the teaching methods based in practical experimental, they have come changing the chore in the class classroom, in the physics laboratory and in computer science's classroom. An approach is presented to a didactic proposal that integrates the systems of acquisition of data, Cobra 3 [1] and the simulation software Interactive Physics [2], they allow to implement a work alternative in the classroom in the courses of Mechanics, Vibrations and Waves, and Computer science that are imparted to the students of Licentiate in Physics.
It is proposed a problem situation of the phenomenology of the oscillations, in this case a system mass spring, to determine an experimental relationship among the frequency or period of oscillation and the mass of the object that it is suspended of the spring. The solution and analysis include linear regression, data smoothing and analysis of Fourier.
1. INTRODUCCIÓN
Siendo la Física una estructura compacta que tiene su propio objeto de estudio, en el que los aspectos teóricos deben describir, explicar y predecir la fenomenología, por lo que
problemas de cálculo con o sin la ayuda del computador, la realización de experimentos, la automatización computarizada de experimentos y el empleo de programas de simulación, soportado todo esto en una adecuada discusión de los fundamentes teóricos
y de los referentes conceptuales.[3]
2. APROXIMACION METODOLÓGICA DE LA PROPUESTA
Insertar las nuevas tecnologías como soporte a una propuesta metodológica que permita integrar el experimento tradicional, el experimento computarizado y la simulación como herramienta didáctica que consolide el proceso de enseñanza – aprendizaje en diferentes áreas de la física, tales como las oscilaciones, podría plantearse con las actividades centrales siguientes:
a) Situación problema : Se pide a los estudiantes que busquen, con y sin ayudas tecnológicas, maneras diferentes de encontrar la relación funcional que existe entre el período de oscilación de un sistema objeto – resorte y la masa del cuerpo que se suspende de dicho resorte.
b) Revisión Material Teórico en algunos textos [4], [5], [6]. El análisis de datos y procedimientos de l aboratorio se consultaron en [7] y [8].
c) Revisión Material Experimental con un inventario de dispositivos y elementos de laboratorio y de software que permitan delinear algunas condiciones que nos acerquen a la solución del problema de la dependencia del período de oscilación de la masa que se suspende de un resorte. Se revisaron algunos manuales de laboratorio [9] y manuales de software [10].
d) Manejo de Instrumentación: Tanto estudiantes como profesores trabajamos paralelamente en el aprendizaje y uso de los equipos de sistemas de adquisición de datos computarizados, Sistema COBRA 3.
e) Prediseño de prácticas de Laboratorio: Después de analizar y discutir en conjunto estudiantes y docentes del grupo, se proponen tres alternativas para dar la solución a la situación-problema planteada. Una de ellas es realizar la práctica convencional, otra, usando el montaje con el sistema de adquisición de datos COBRA, y la otra es utilizando el software de simulación Interactive Physics.
f)Elaboración de prácticas de laboratorio: Siguiendo algunos de los pasos tradicionales para el desarrollo de prácticas experimentales, se realiza el montaje del sistema mostrado en la figura 1, se elabora la tabla 1, luego se realiza en Excel la gráfica Fuerza versus posición y se calcula la constante elástica del resorte, (ver figura 2).
Fig.1. Montaje Convencional
Tabla 1. Datos experimento Manual X(m) F(N) 0.0 0.240 0.02 0.270 0.03 0.290 0.05 0.320 0.07 0.348 0.09 0.386 0.12 0.418 0.14 0.444 0.17 0.484 Fuerza vs posición F = (1,44 N/m) x + 0,25 N R2 = 0,9959 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,00 0,10 0,20 x(m) F(N)
Fig. 2. Ajuste de datos, experimento convencional.
g) Elaboración de prácticas de laboratorio automatizado, usando la interfaz COBRA 3: En este caso se realizó un montaje como el de la figura 3, para calcular de nuevo la constante de elasticidad, pero con ayuda de la interfaz. Antes de tomar las respectivas medidas se calibran los sensores de movimiento y de fuerza. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 2 y en la figura 4.
Fig.3 Montaje con sistema de adquisición de datos Tabla 2. Datos_Cobra Distance Force s/mm F/N 0,0000 0,2567 0,0231 0,2953 0,0459 0,3292 0,0695 0,3651 0,0951 0,3995 0,1224 0,4346 0,1588 0,4687 0,1827 0,4980 0,2051 0,5244
Fig. 4. Gráfico proporcionado por el software de Cobra
En la figura 5 se representa la fuerza (eje izquierdo, curva inferior) y la posición (eje derecho, curva superior), en función del tiempo; La curva es suministrada directamente
software también permite obtener por análisis de Fourier, la descomposición de la curva en el espectro de frecuencia, que se observa en la figura 6, en la cual se aprecia la periodicidad y el carácter armónico del movimiento estudiado, presentando un pico de frecuencia en (0.74 ± 0.04) Hz, que corresponde a un período de (1.35 ± 0.07) s. Otro aspecto importante que se evidencia en la gráfica, es la atenuación del oscilador; producida en este caso por diversos factores: viscosidad con el aire, efectos disipativos en el resorte mismo y por fricción entre la cuerda y el sensor de movimiento, hechos que ameritan un detallado estudio.
Fig. 5. Registro posición y fuerza en función del
tiempo Fig. 6. Espectro de frecuencias
Ahora se recurre al método de simulación utilizando el software Interactive Physics. Después de realizar los pasos básicos necesarios para iniciar una simulación en Interactive Physics [11] se elabora un diseño como el mostrado en la figura 7. Nótese que hay que escoger que el resorte tenga la longitud sin deformar igual al del experimento y su correspondiente constante de elasticidad, se debe deformar el resorte en la misma cantidad como en el experimento. También se puede seleccionar en el menú Mundo, resistencia del aire para conseguir atenuación similar a la observada en el experimento real.
COMENTARIOS Y CONCLUSIONES
El trabajo desarrollado permite al estudiante comparar la información obtenida por a partir del experimento convencional y el experimento asistido por computador, encontrando que en ambos casos se requiere de cuidados similares para su realización, como son la determinación de la forma de realizar la experiencia (diseño y planeación) para obtener de ella los datos requeridos y así cumplir con el objetivo propuesto, la necesidad de calibración de los instrumentos a utilizar y la forma de procesar lo datos obtenidos.
Fig.7. Simulación en Interactive Physics
Consideramos, de acuerdo con nuestra praxis, que es muy importante presentar los experimentos de Física como problemas a resolver o pequeñas investigaciones a realizar y no como “recetas de cocina” donde se indica qué hacer paso a paso, cómo hacerlo y los resultados a los que se llegarán sin posibilidad de pensar y trabajar otras variantes. Agradecimientos: Agradecemos: al Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico de la Universidad Distrital, por el apoyo al grupo “Física e Informática” y por el apoyo financiero para el desarrollo del proyecto de investigación [3].
REFERENCIAS
[1] COBRA 3. Interfaz de adquisición de datos, PHYWE. [2] Interactive Physics ™. Copyright ©Knowledge Revolution.
[3] HURTADO A, et al., Integración del experimento tradicional, el experimento
computarizado y la simulación como propuesta alternativa para el aprendizaje y enseñanza de la física, Proyecto de Investigación en curso, aprobado por el Centro de
Investigaciones y Desarrollo Científico de la Universidad Distrital.
[4] KLEPPNER D. and KOLENKOW R. J. An introduction to Mechanics, Ed. McGraw-Hill 1986.
[5] SERWAY, R. Física. Tomo I. MacGraw Hill. 1996.
[6] LEA S. M. y BURKE J.R. Física: La naturaleza de las cosas, vol I, Thompson Editores 1999.
[7] TAYLOR J.R., An Introduction to error analysis, Editorial University Science Books. 2a Edición, Sausalito California,1997.
[8] BAIRD D. C., Experimentación – Una introducción a la teoría de mediciones y al
diseño de experimentos, 2ª edición, Prentice may S.A. 1991
