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TÍTULO: EL USO DEL HPCI-1 EN LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE
FÍSICA.
Autores: MSc. Yudelkys Ponce Valdés.
Lic. Yenima Martínez Castro.
MSc. Dayned Rega Armas
MSc. Alberto Herrera Sosa.
RESUMEN
Como resultado del proceso de integración universitaria, se incrementó el número
de instrumentos y equipos de laboratorios de nuevas tecnologías puestos a
disposición de las actividades docentes de las asignaturas dentro de la disciplina
Física en la UNISS. Aunque el uso de este equipamiento puede ser ya común en
otras instituciones universitarias de Cuba y el mundo, en la UNISS resulta una
tecnología novedosa y poco explorada. El presente trabajo tiene como objetivo
presentar un ejemplo de práctica de laboratorio en la asignatura Física General I,
donde se incluye un Laboratorio de Física Asistido por Computadora,
específicamente el HPCI-1, en el Tema 3: “Fuerza y las leyes de Newton.
Dinámica de las partículas”, que se imparte en el segundo año de la especialidad
Matemática-Física. Se evidencia que el uso del HPCI-1 puede contribuir al
mejoramiento del proceso de enseñanza-aprendizaje y a la preparación de los
estudiantes para su futuro desempeño profesional.
Abstract
Title: Use of HPCI-1 in Physics laboratory practices
As a result of the university integration process, the amount of advanced laboratory
instruments and equipments available for teaching subjects within the discipline
Physics at UNISS increased. Even though the use of these equipments can be
common in other Cuban and foreign universities, at UNISS it is a novel and barely
explored technology. This paper intends to present an example of a laboratory
practice of the subject General Physics I, where a Computer Aided Physics
Laboratory, specifically the HPCI-1, is included in the Topic 3: “Force and the
Newton´s laws. Dynamics of particles”, delivered to second year students of the
specialty Mathematics-Physics. It is evident that the use of HPCI-1 can contribute
1
to improve the learning-teaching process and the preparation of students for their
prospective professional performance.
Palabras clave: HPCI-1, TIC, Laboratorio de Física Asistido por Computadora,
práctica de laboratorio
Keywords: HPCI-1, ICTs, Computer Aided Physics Laboratory, laboratory practice
Introducción
Los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución en
Cuba, aprobado en el VI Congreso del PCC, señalan entre sus prioridades la
necesidad de reorganizar la educación superior con un uso racional de todos los
recursos que asegure la calidad de los servicios (PCC, 2011). En este empeño se
está produciendo un proceso gradual de integración de instituciones universitarias
en el país.
La actual Universidad de Sancti Spíritus “José Martí Pérez” (UNISS) es el
resultado de la integración de las universidades espirituanas de Ciencias
Pedagógicas, de Ciencias del Deporte y de la Universidad del Ministerio de
Educación Superior. Entre los varios beneficios que esta integración ha significado
para la nueva universidad en general y para el Departamento de MatemáticaFísica de la Facultad de Ciencias Pedagógicas en particular, es que se ha
incrementado el número de utensilios, instrumentos y equipos de laboratorios de
nuevas tecnologías que se ponen a disposición de las actividades docentes de las
asignaturas dentro de la disciplina Física. Aunque el uso de este equipamiento
puede ser ya común en otras instituciones universitarias de Cuba y el mundo, en
la UNISS resulta una tecnología novedosa y poco explorada.
La actividad experimental en Física es esencial como parte del proceso de
enseñanza y aprendizaje, aún más en la formación del profesional de la educación
en la especialidad de Matemática-Física. La misma se ha visto en constantes
transformaciones, tanto en las demostraciones en clases o fuera de ellas, como en
las prácticas de laboratorio.
La Física es una ciencia que proporciona la base del conocimiento de la
naturaleza por lo que tiene una estrecha relación con la vida práctica. Su estudio
ha evolucionado simultáneamente con el de otras disciplinas y se ha beneficiado
2
de sus avances. Por ello, para lograr alcanzar mejores resultados en el
aprendizaje de la Física, acorde con el desarrollo de la ciencia y la técnica, es
necesario utilizar en la práctica educativa las tecnologías de la información y las
comunicaciones (TIC).
Las TIC ofrecen múltiples posibilidades en el contexto
formativo, como medios de información, de comunicación y didácticos, por lo que
hoy no se puede hablar sobre la enseñanza de la Física sin incluir las TIC
(Rodríguez Gutiérrez, 2012; Haudemand et al., 2014).
Al hablar de la TIC en función de la enseñanza de la Física, los Laboratorios de
Física Asistidos por Computadora (LFAC) juegan un papel preponderante. La
necesidad de incluirlos en los cursos de Física en diversos niveles educacionales
ha sido objeto de análisis, tanto en el ámbito internacional como nacional, por
diferentes investigadores tales como Torres (2010), Astudillo et al. (2014) y Lastra
et al. (2012).
Dentro de los nuevos equipamientos que se han puesto a disposición de la
enseñanza de la Física en la UNISS, se encuentra el HPCI-1 Computer Aided
Physics Laboratory Versión 4.0 (HPCI-1), que como su nombre lo indica es un tipo
de LFAC. Esta tecnología tiene sus inicios en 1992 y surge por la necesidad de
implementar sensores para realizar mediciones con mayor exactitud de diferentes
fenómenos físicos.
El HPCI-1 es un sistema que se compone básicamente por una caja de interfaz,
sensores y un software de aplicación también denominado Computer Aided
Physics Laboratory Versión 4.0. En la computadora se muestran y recolectan los
datos, aunque éstos también pueden imprimirse. Las mediciones de magnitudes
físicas
se
realizan
mediante
la
interfaz,
los
sensores
e
instrumentos
convencionales. La Figura 1. Esquema básico del sistema HPCI-1 1 muestra un esquema
básico del sistema. Con el uso del HPCI-1 se pueden observar fenómenos físicos
y probar leyes de la física, que en ocasiones no pueden llevarse a cabo con la
mayor precisión utilizando solamente instrumentos convencionales. Por ello el
HPCI-1 constituye una herramienta de enseñanza novedosa y desarrolladora (UStar, 2006 a).
3
Figura 1. Esquema básico del sistema HPCI-1
Fuente: Traducido de U-Star (2006 a)
Torres (2010) explica el principio de funcionamiento del HPCI-1: Los sensores
permiten medir diversas magnitudes físicas (posición, fuerza, temperatura, campo
magnético, etc.), que se encargan de transformar la medida física en una tensión
eléctrica conectada al sensor. La interfaz transforma la tensión eléctrica a código
binario que un ordenador es capaz de interpretar. Los ordenadores y programas
asociados a los equipos LFAC, muestran las tablas de datos y gráficos que se van
generando, posibilitan cambiar la frecuencia del muestreo, incluir varios gráficos
en unos mismos ejes, modificar la escala e insertar predicciones, entre otras
muchas opciones.
Dada las posibilidades que brinda esta tecnología y la necesidad incesante de
perfeccionar el proceso de enseñanza aprendizaje de la Física en la formación del
profesional de la carrera Licenciatura en Educación en la especialidad
Matemática-Física y en aras de prepararlo en el uso de las TIC de manera que
pueda enfrentar los retos que la educación media cubana exige, el objetivo del
presente
trabajo
es
presentar
un
ejemplo
de
práctica
de
laboratorio,
específicamente del Tema 3: Fuerza y leyes de Newton. Dinámica de las
partículas, de la asignatura Física General 1, del 2º año de la especialidad
Matemática-Física, con el uso del HPCI-1, para potenciar la preparación de los
estudiantes para su futuro desempeño profesional.
Desarrollo
Es un hecho que no se debe renunciar a los experimentos tradicionales, pero en el
campo de la enseñanza de la Física en el contexto actual, se debe ir mucho más
allá. Se requiere garantizar la formación del pensamiento científico y reflexivo, así
como el
desarrollo de habilidades para la asimilación de
la información, la
construcción de conocimiento y la formación de personas críticas. Se requiere por
4
tanto que docentes y estudiantes fortalezcan sus habilidades para el trabajo
colaborativo, la capacidad de filtrar información, conocimiento que se quiere
construir, el uso de lenguaje especializado, la destreza para asimilar nuevos
procesos de comunicación en donde se garantice el aprendizaje con economía de
tiempo, entre otros (Castiblanco & Vizcaíno, 2008).
Para mejorar la comprensión de la Física en los estudiantes y en aras de
garantizar la formación del pensamiento científico y reflexivo al que se hacía
referencia, resulta muy positivo incorporar el uso del equipamiento basado en
nuevas tecnologías existente en los laboratorios de Física de la UNISS a las
prácticas de laboratorio. Específicamente la inclusión del HPCI-1 permite reducir el
tiempo de registro, mejora el procesamiento de datos, facilita el análisis e
interpretación de los datos y a la vez pone a los futuros profesionales en contacto
con tecnologías actualizadas. Se perfecciona así el proceso de enseñanza y
aprendizaje.
El programa de la asignatura Física General 1 del 2º año de la especialidad
Matemática-Física propone tres prácticas de laboratorio dentro del Tema 3: Fuerza
y leyes de Newton. Dinámica de las partículas. Éstas son:
1- Comprobación de la segunda ley del movimiento
2- Determinación del coeficiente de rozamiento por deslizamiento (µ)
3- Determinación de la constante elástica (k)
La comprobación de la segunda ley de movimiento o segunda ley de Newton,
puede realizarse mediante varias prácticas en los que varían las condiciones
experimentales. En el Experiment Manual Version 4.0 (U-Star, 2006 b) del HPCI-1
aparecen tres experimentos en los cuales se demuestra la segunda ley de
Newton. En la UNISS están dadas las condiciones para realizar cualquiera de
ellos. Incluso, si existieran varias computadoras en los laboratorios de Física, se
podría realizar cuatro montajes simultáneos, lo que contribuiría a crear un
ambiente de aprendizaje mucho más abierto y dinámico mediante la colaboración,
participación e interacción activa de todos los estudiantes.
Para la realización del presente trabajo, se seleccionó el experimento Relación
entre la aceleración y la fuerza (I) (U-Star, 2006 b, p.26) y se realizó adaptado a
5
las condiciones prácticas existentes en la UNISS y se muestra como ejemplo de
cómo con el uso del HPCI-1 se vinculan las prácticas tradicionales con las nuevas
tecnologías, garantizando mediciones más exactas y economizando el tiempo de
cálculo, para que los estudiantes arriben a conclusiones y por tanto se cumplan los
objetivos trazados.
Práctica de laboratorio: Relación entre la aceleración y la fuerza (I)
Para la realización de la práctica, el profesor debe orientar con antelación los
materiales bibliográficos que los estudiantes deben revisar para contar con los
antecedentes cognoscitivos necesarios para el adecuado desarrollo de la actividad
y la aprehensión de los conocimientos. La bibliografía básica de la asignatura es
“Física para Estudiantes de Ciencias e Ingenierías”, Parte 1, de los autores Robert
Resnick y David Halliday. En este libro se explican los contenidos relacionados
con las leyes del movimiento mecánico.
Como bibliografía básica adicional para la práctica de laboratorio, los estudiantes
deben consultar el Experiment Manual Versión 4.0, que está en idioma inglés. Se
les orienta estudiar el Experimento 1.7 que aparece a partir de la página 26 y tener
en cuenta además las cuatro preguntas que aparecen en la sección Preguntas1,
página 29, a las cuales se les dará respuesta en el Informe de Laboratorio una vez
realizada la práctica. Los estudiantes también pueden ir a la sección Ayuda del
software y allí consultar la opción Principio (Figura 2. Opción Principio en el Menú
Ayuda del experimento Relación entre la aceleración y la fuerza (I)) del experimento en
cuestión o las Preguntas, que coinciden con las que aparecen en el manual. El
estudio de este manual o la utilización del software no sólo serán favorables para
el desarrollo de la práctica, sino que también contribuirán a desarrollar en ellos
habilidades de búsqueda de información en inglés, y por tanto a su formación
integral como futuros docentes.
1
Aunque el Manual y el software están en inglés, para mejor comprensión, en el presente trabajo
aparecerán todos los subtítulos, menús y opciones traducidos al español por los autores.
6
Figura 2. Opción Principio en el Menú Ayuda del experimento Relación entre la aceleración y la fuerza (I)
Fuente: Software Computer Aided Physics Laboratory Version 4.0.
En la realización de la práctica de laboratorio, la metodología a emplear sigue las
etapas del método científico; se plantea el problema a los alumnos y a
continuación se les solicita la emisión de hipótesis escritas y gráficas. La
planificación de la práctica de laboratorio se desarrollará y quedará reflejada en el
expediente de la asignatura como aparece a continuación:
Práctica de Laboratorio 3: Relación entre la aceleración y la fuerza
Tema 3: Fuerza y las leyes de Newton. Dinámica de las partículas.
Temática: Demostración de la segunda ley del movimiento
Objetivos: Comprobación de la segunda ley de Newton con el uso de las TIC, que
potencie
el
dominio
de
aspectos
esenciales
de
la
actividad
científica
contemporánea.
7
Fundamentación Teórica
La segunda Ley de Newton plantea que la velocidad con que varía la cantidad de
movimiento
de un punto material es igual en valor a la fuerza aplicada y coincide
con ella en dirección y sentido (Ecuación 1).
Donde m y v son, respectivamente, la masa y la velocidad del punto material.
Si sobre un punto material actúan simultáneamente varias fuerzas, en la segunda
Ley de Newton debe entenderse por fuerza
la suma geométrica de todas las
actuantes, es decir la fuerza resultante.
Como en la mecánica newtoniana la masa del punto material no depende del
estado de movimiento de este,
. La expresión matemática de la segunda
Ley de Newton puede representarse también en la forma:
El enunciado correspondiente dice: El producto del valor de la masa de un punto
material por su aceleración es igual a la magnitud de la fuerza que actúa sobre
dicho punto material.
De esta ley se desprende que si la fuerza resultante ∑ Fi que actúa sobre un
cuerpo es constante, así mismo se comportará la aceleración, y el movimiento que
se efectuará será rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA).
Cuando el valor de la masa del cuerpo no varía, la aceleración es directamente
proporcional a la fuerza.
Medios experimentales
Caja de la interfaz experimental (HPCI 1)MMMMMMM.
1
Fotosensor B (HPCI- 1 03)MMMMM.MMMMMMMM.. 2
Carrilera de aire 2,0 mMMMMMMMMMMMMMMM... 1
Turbina de aireMMMMMMMMMMMMMMMMMMM. 1
Masa deslizante.MMMMMMMMMMMMMMMMMM. 1
PCMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM.. 1
Balanza digital.MM.MMMMMMMMMMMMMMMMM 1
Regla graduadaMMMMMMMMMMMMMMMMMMM 1
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Método experimental y análisis de las mediciones
Coloque la carrilera de aire en un determinado ángulo de inclinación. La fuerza
que actúa sobre la masa que se desliza por la carrilera de aire es la componente X
de la fuerza de gravedad. La fuerza de rozamiento se desprecia.
El ángulo que se forma entre la superficie horizontal y la carrilera de aire se
determina:
Donde h: altura de la carrilera de aire, L: longitud de la carrilera de aire.
Por tanto:
y
Cuando cambie la altura de la carrilera de aire, va a variar el ángulo de inclinación
y por tanto la componente de la fuerza correspondiente. Bajo la acción de
diferentes fuerzas, mida la aceleración del cuerpo en movimiento. Bajo estas
condiciones, trate de probar que el valor de la aceleración es directamente
proporcional con la fuerza, cuando el valor de la masa no varía.
Marque la posición de los fotosensores 1 y 2 en la carrilera de aire, además de la
posición inicial del cuerpo.
Procedimiento experimental
Conecte la computadora al interfaz (HPCI- 1).
Encienda la interfaz y la computadora.
En el escritorio, haga doble clic en el icono
“HPCI-1 Computer Aided
Physics Laboratory” para abrir el sistema. Abra el Menú Experimentos en la
pantalla de la interfaz y el submenú
Relación entre la aceleración y la
fuerza (I) dentro de los experimentos de Mecánica (Figura 3. Ruta de acceso al
experimento Relación entre la aceleración y la fuerza (I)).
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Figura 3. Ruta de acceso al experimento Relación entre la aceleración y la fuerza (I)
Fuente: Software Computer Aided Physics Laboratory Version 4.0.
Preparación experimental:
Coloque la carrilera de aire sobre la mesa horizontal y a su vez, sobre dos pivotes
separados entre sí a una distancia de 0,86 m, dándole un ángulo de inclinación a
la misma.
Fije los fotosensores a la carrilera; el primero en 0,50 m y el segundo en 0,80 m.
Conecte el fotosensor 1 al canal D de la interfaz y el 2 al canal E (Figura 4. Caja de
interfaz del HPCI-1).
Figura 4. Caja de interfaz del HPCI-1
Fuente: Imagen tomada por los autores
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Fije el escudo de luz de 10 mm en el medio superior del cuerpo deslizante.
Compruebe que los fotosensores funcionan correctamente.
Conecte la fuente de aire a la carrilera.
Nótese que hay mediciones de longitud expresadas tanto en milímetros,
centímetros como en metros. Esto se debe a que el software pide los datos de esa
manera y realiza internamente las conversiones necesarias. Luego, los resultados
son expresados en metros por segundo al cuadrado (m/s2) en el caso de la
aceleración, Newton (N), para la fuerza y gramos (g), para la masa.
Preguntas a las que se les dará respuesta luego de la práctica.
1- ¿Cuál es la relación entre la altura de la carrilera de aire y la aceleración
que adquiere la masa que se desliza?
2- ¿Cuál es la relación entre la altura de la carrilera de aire con la fuerza que
actúa sobre el cuerpo?
3- ¿Por qué cuando calculamos la razón entre la fuerza y la aceleración el
resultado es igual a la masa del cuerpo?
4- ¿Cuál es el porciento de error entre la masa calculada a partir de las
mediciones recogidas y la real?
Recolección de las medidas
Introduzca en el software las medidas del escudo de luz (10mm), la masa del
cuerpo (previamente determinada en la balanza digital), la longitud de la carrilera
de aire, y la altura (h) de la carrilera.
Ponga el cuerpo en su posición inicial antes del primer fotosensor, en 0,32 m en la
carrilera.
Antes de presionar el botón de Recolección de datos
, libere el cuerpo y
déjelo deslizarse libremente. Después que pase por el segundo fotosensor, en la
pantalla se mostrará un grupo de datos recogidos producto de las mediciones.
d/mm: dimensiones del escudo de luz 10,0 mm.
m/g: masa del cuerpo.
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l/cm: distancia de la carrilera de aire.
h/mm: altura de la carrilera de aire.
∆t1/ms: tiempo que demoró el escudo en pasar por el fotosensor 1.
∆t2/ms: tiempo que demoró en pasar por el fotosensor 2 (específicamente
hablando, es el tiempo que demoró en pasar por los dos fotosensores).
Las alturas de la carrilera de aire (h) para obtener el otro conjunto de mediciones
son:
30,0 mm; 25,0 mm; 20,0 mm; 15,0 mm; 10,0 mm.
Luego se repiten los pasos 1 y 2 para obtener el resto de las mediciones.
Seleccione Guardar para guardar los datos recogidos en el experimento.
Análisis de los datos
Presione el botón Mostrar resultados
, y se mostrarán los resultados
calculados (fuerza, aceleración calculada y la teórica) en la tabla de resultados en
la parte baja de la pantalla (Figura 5. Resultados experimentales mostrados por el
software).
Para construir las coordenadas presione el botón
.
Para colocar los puntos que corresponden con la relación fuerza y aceleración se
presionará el botón
Para representar la línea que demuestra la relación directa entre la fuerza y la
aceleración, se presiona el botón
12
Figura 5. Resultados experimentales mostrados por el software
Fuente: Software Computer Aided Physics Laboratory Version 4.0.
Luego de haber
terminado con las mediciones y los cálculos los estudiantes
podrán dar respuesta a las preguntas que se le plantearon en el inicio. Las
mismas deben estar recogidas en un Informe de Laboratorio donde muestren los
resultados que obtuvieron, en correspondencia con los objetivos de la práctica.
En el momento en que se elabora el presente trabajo, la práctica ya ha sido
realizada por los autores como autopreparación (Figura 6. Montaje realizado por los
autores como actividad de autopreparación, pero aún no se ha realizado la actividad
experimental con los estudiantes. No obstante, dada la experiencia en la docencia
que poseen los autores, se prevé el logro de un mayor interés por parte de los
estudiantes y una mejor aprehensión de los conocimientos.
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Figura 6. Montaje realizado por los autores como actividad de autopreparación
Fuente: Imagen tomada por los autores
Conclusiones
Aunque el uso del HPCI-1 puede ser ya común en otras instituciones universitarias
de Cuba y el mundo, en la UNISS resulta una tecnología novedosa y poco
explorada. La práctica de laboratorio que se expone en el presente trabajo, es tan
solo un ejemplo de las numerosas actividades docentes que podrían realizarse.
Experiencias prácticas evidencian que el uso del HPCI-1 puede contribuir al
mejoramiento del proceso de enseñanza aprendizaje, no tan sólo en el segundo
año de la especialidad Matemática-Física, sino en el resto de las carreras que
reciben asignaturas dentro de la disciplina Física. Su uso permite que los
estudiantes fortalezcan sus habilidades para el trabajo colaborativo, la capacidad
de filtrar información, el uso de lenguaje especializado y la destreza para asimilar
nuevos procesos de comunicación con economía de tiempo.
Referencias Bibliográficas
Astudillo, V., Ramos, J. & Pérez, R. (Noviembre, 2014). Laboratorio Asistido por
Computadora (LAC). Una experiencia innovadora en el Colegio de Ciencias
y Humanidades de la UNAM. En D. Pulfer, Congreso Iberoamericano de
Ciencia, Tecnología, Innovación y Educación, Buenos Aires, Argentina
14
Castiblanco, O. L. &. Vizcaíno, D. F. (2008). El uso de las TICs en la enseñanza
de
la
Física.
Ingenio
Libre.
(7),
20-26.
Recuperado
de
http://www.unilibre.edu.co/revistaingeniolibre/revista7/articulos/El-uso-delas-TICs.pdf
Haudemand, R., Haudemand, N. & Echazarreta, D. (Noviembre, 2014). Las TIC en
la enseñanza de la Física; conexiones con otras ciencias. En D. Pulfer,
Congreso Iberoamericano de Ciencia, Tecnología, Innovación y Educación,
Buenos Aires, Argentina
Lastra M., Barroso R. & Sifredo C. (Enero, 2012) De los problemas de Física de
lápiz
y
papel
a
los
experimentos
informatizados.
En
VI
Taller
Iberoamericano de Enseñanza de la Física Universitaria. Habana, Cuba
PCC. (2011). Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la
Revolución.
Rodríguez Gutiérrez, M. A. (2012) Las TIC como instrumento para mejorar el
aprendizaje de Física. Revista Didáctica, Innovación y Multimedia, (23).
Recuperado de http://dim.pangea.org/revista23.htm
Torres, A. L. (2010). Empleo del laboratorio asistido por ordenador en la
enseñanza de la física y química de secundaria y bachillerato. Rev. Eureka
Enseñanza y Divulgación Científicas. 7(3), 693-707
U-Star Sensor Technology Co. (2006 a). HPCI-1 Computer Aided Physics
Laboratory. Application Manual Version 4.0. China
U-Star Sensor Technology Co. (2006 b). HPCI-1 Computer Aided Physics
Laboratory. Experiment Manual Version 4.0. China
15