Comprensión de la energía por parte del estudiante: las dificultades relacionadas con los sistemas. José Alejandro Rivera Gonzaga

Presentación del tema: "Comprensión de la energía por parte del estudiante: las dificultades relacionadas con los sistemas. José Alejandro Rivera Gonzaga"— Transcripción de la presentación:

1 Comprensión de la energía por parte del estudiante: las dificultades relacionadas con los sistemas. José Alejandro Rivera Gonzaga (riveralex2002@yahoo.com.mx) Escuela Nacional Colegio de Ciencias y Humanidades. Plantel Sur. UNAM RESUMEN La elección de un sistema de interés y la identificación de las interacciones del sistema con el medio son pasos cruciales al establecer una relación entre trabajo y energía. Las respuestas a las preguntas que se plantearon en un curso introductorio de Física muestran que muchos estudiantes fallan al reconocer las implicaciones de la elección particular del sistema. En algunos casos, los estudiantes no creen que la agrupación de objetos puede ser considerada como un sistema. Algunos errores prevalecen más en situaciones que involucran energía potencial gravitacional que energía potencial elástica. Las dificultades son manifestadas tanto en razonamientos cuantitativos como cualitativos. PROBLEMA El ejemplo en la Fig. 1 ilustra un block, que se encuentra sobre una superficie sin fricción, conectado por un resorte ideal a una pared. El block es liberado del reposo con el resorte estirado. Más tarde, éste pasa x = 0, donde el resorte está en su posición de equilibrio. Si se considera al block como sistema, el resorte es solamente un agente externo haciendo trabajo sobre el sistema durante el intervalo. Este trabajo es positivo porque causa un incremento en la energía total del block (en este caso, energía cinética): W sobre el block por el resorte = ΔK block. Si en lugar de esto consideramos un sistema consistente del block y el resorte, ningún agente externo hace trabajo sobre el sistema por lo que su energía total no cambia y ΔE total = 0. El aumento en la energía cinética es balanceada por la disminución en la energía potencial: ΔK sistema = - ΔU sistema. Aunque los dos análisis son equivalentes, una elección puede conducir más fácilmente a la solución de un problema en particular. Se les pidió a los estudiantes que consideraran un sistema consistente solo del block y fueron cuestionados acerca de si el trabajo neto sobre este sistema es positivo, negativo o cero, y si la energía total del sistema aumenta, disminuye o permanece igual para el intervalo entre t i y t f (cuando el resorte está en su posición de equilibrio). Del mismo modo se les preguntó si la energía cinética y potencial del sistema aumenta, disminuye o permanece igual para este intervalo. Se les pidió que contestaran las mismas preguntas para el sistema consistente del block y el resorte. Algunos estudiantes dijeron que algunas de esa agrupaciones de objetos podría no ser considerada como un solo sistema. Por lo tanto, se incluyó esta opción como una posible respuesta para cada pregunta. REFERENCIAS Lindsey B.A., Heron P.R.L. and Shaffer P.S. Student understanding of energy: Difficulties related to systems. American Journal of Physics 80 (2012)154-163 Fig. 1.Un block unido a un resorte ideal estirado, es liberado del reposo y se mueve a la izquierda sobre una superficie sin fricción. Los resultados del problema son resumidos en la Tabla I y II. Para el sistema consistente del block solo, 33 % de los estudiantes establecieron correctamente que su energía total aumenta, aunque 69 % respondieron correctamente que el trabajo neto es positivo. Para el sistema block-resorte, 74 % respondió correctamente que la energía total del sistema permanece igual y 53 % indicaron correctamente que el trabajo neto es cero. Cerca del 20 % de los estudiantes dieron la misma respuesta para el cambio en la energía total para ambos sistemas, mientras que el 56 % dio la misma respuesta para el cambio de energía de ambos sistemas. CONCLUSIONES Para responder este problema correctamente, los estudiantes deben ser capaces de interpretar el término sistema y reconocer que los dos sistemas bajo consideración son diferentes. Se sospecha que algunos estudiantes pueden no ser capaces de analizar un problema desde el punto de vista de dos o más diferentes sistemas, pero pueden tener una compresión que es lo suficientemente robusta para contestar preguntas cuantitativas correctamente Tabla I. Resultados del problema block-resorte en la cual los estudiantes (595) fueron cuestionados acerca del cambio en la energía total para dos sistemas: el block solo y el block-resorte. Las respuestas correctas se indican en negritas. Tabla II. Resultados del problema block-resorte en el cual los estudiantes (148) fueron cuestionados acerca del cambio en la energía potencial para el block solo y el block-resorte. Las respuestas correctas se indican en negritas. RESULTADOS