• Interpretar y aplicar a la resolución de problemas el teorema de las fuerzas vivas y el principio de conservación de la energía.
• Comprender los procesos de transformación, almacenamiento y recuperación de energía.
• Reconocer los problemas que se plantean como consecuencia del uso de energías no renovables y la generación de residuos.
• Adquirir hábitos que permitan el ahorro de energía y la reducción de la contaminación.
• Calcular el trabajo de una fuerza y la potencia desarrollada.
Contenidos Conceptos • Energía. • Formas de la energía. • Trabajo mecánico. • Energía cinética.
• Energía potencial gravitatoria. • Fuerzas conservativas y disipativas.
• Principio de conservación de la energía mecánica. • Potencia.
• Potencia mecánica.
• Máquinas mecánicas: palanca, polea y torno. • Energía potencial electrostática.
• Potencial eléctrico. • Diferencia de potencial.
Procedimientos
• Interpretación gráfica del trabajo.
• Cálculo del trabajo de una fuerza variable.
• Resolución de ejercicios y problemas de trabajo y energía.
• Resolución de ejercicios y problemas mediante la aplicación del principio de conservación de la energía mecánica.
• Representación de superficies equipotenciales.
Valores
• Valoración de la necesidad de ahorrar energía y reducir la contaminación en nuestro entorno inmediato.
• Valoración de la importancia del orden, la claridad y la limpieza en la presentación de informes, tablas y gráficas.
Actividades de aprendizaje
La primera página de la unidad contiene una imagen acompañada de un texto que nos muestra el aprovechamiento energético en la vida cotidiana.
Los Objetivos muestran las capacidades que se pretende que el alumno/a desarrolle a lo largo de la unidad.
En la Preparación de la unidad se propone el trabajo previo al estudio de ésta: se recuerdan conocimientos adquiridos anteriormente que son útiles para abordar la unidad.
Un esquema muestra la organización de los contenidos de la unidad.
1. La energía: formas y fuentes
• La unidad empieza con la explicación del concepto de energía y las diversas formas en que ésta se presenta.
• A continuación se muestran las distintas fuentes de donde se obtiene la energía, diferenciando las fuentes no renovables de las renovables. Se destaca la capacidad que tiene la energía de transformarse de unas formas a otras, manteniendo la cantidad global constante.
• Se explica el significado físico de trabajo y se indica la forma de calcular el trabajo mecánico de una fuerza constante. Se define su unidad en el SI (el julio).
• Se ofrece el acceso a una página de Internet en la que se observa la simulación que representa el trabajo realizado por una fuerza.
• Se interpreta el significado físico del signo de esta magnitud escalar. En un ejemplo se calcula el trabajo de cada una de las fuerzas que actúan sobre un camión de juguete cuando es arrastrado por un niño mediante una cuerda.
• Seguidamente, se interpreta gráficamente el trabajo de una fuerza a partir de la gráfica fuerza-desplazamiento y se indica que el trabajo de la fuerza resultante debe ser igual a la suma de todos los trabajos efectuados sobre un cuerpo. En un ejemplo resuelto se propone calcular el trabajo realizado por cada una de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo que sube por un plano inclinado y el trabajo de la fuerza resultante.
• Se explica el procedimiento para calcular el trabajo de una fuerza que varía con la posición y se aplica en un ejemplo.
• Posteriormente, se define el concepto de energía cinética, se deduce su expresión y se enuncia el teorema de las fuerzas vivas o teorema de la energía cinética, cuya aplicación se muestra en un ejemplo resuelto. • Por último, se define la energía potencial gravitatoria y se deduce su
expresión. En un ejemplo resuelto se propone determinar la energía potencial gravitatoria de un cuerpo situado a cierta altura y el trabajo necesario para elevar este cuerpo a una determinada distancia.
3. Conservación y degradación de la energía
• Se define el concepto de energía mecánica de un cuerpo y se enuncia el principio de conservación de la energía mecánica, ilustrándolo con el caso de un cuerpo que se desliza sin rozamiento por un plano inclinado.
• Se presenta el acceso a una página de Internet en la que se puede comprobar en una simulación el cumplimiento del balance energético. • Se aplica este principio en un ejemplo para calcular la velocidad de un
cuerpo en distintas posiciones de una caída libre.
4. Potencia
• Se define el concepto de potencia, su unidad en el SI (wat, el vatio) y la relación de esta unidad con el caballo de vapor. Seguidamente, se indica cómo calcular la potencia mecánica de un móvil que se desplaza con MRU.
• En dos ejemplos resueltos se propone calcular el trabajo y la potencia desarrollados por una grúa al elevar verticalmente y a velocidad constante cierta carga y determinar la fuerza y la potencia desarrolladas por un ciclista para mantener cierta velocidad sobre un terreno llano y sobre una pendiente del 10 %.
• Se introduce el concepto de energía potencial electrostática a partir de una analogía con la energía potencial gravitatoria. En un ejemplo se determina la energía potencial electrostática de un conjunto de dos cargas positivas separadas por cierta distancia en el vacío.
• A continuación, se define el concepto de potencial eléctrico y se deduce su valor para el caso de una carga puntual y de un conjunto de cargas puntuales. En un ejemplo se halla el potencial eléctrico creado por dos cargas de distinto signo en un determinado punto del espacio.
• Por último, se definen diferencia de potencial y voltio, y se indica la relación entre la diferencia de potencial y el trabajo necesario para desplazar una carga sometida a un campo eléctrico, poniendo un énfasis especial en el significado físico del signo del trabajo. En un ejemplo resuelto se muestra cómo calcular el trabajo necesario para desplazar una carga de un punto a otro de un campo eléctrico.
En el apartado Ciencia y sociedad se trabaja la enseñanza transversal de Educación ambiental, valorando críticamente los avances científicos y tecnológicos y su influencia en el medio ambiente. Para ello se analiza cómo debería ser una ciudad, la ciudad ecológica, para que sus habitantes pudieran gozar de todas sus comodidades y, al mismo tiempo, de un ahorro energético y una escasa contaminación.
En Resolución de ejercicios y problemas se pretende que el alumno/a profundice y adquiera destreza en al resolverlos a partir de la observación de modelos y en la posterior puesta en práctica de las técnicas aprendidas. Para ello se le propone:
• Calcular, para un sistema de tres cargas eléctricas, la diferencia de potencial entre dos puntos del espacio y el trabajo necesario para trasladar una cuarta carga desde el primer punto al segundo.
• Calcular, para un cuerpo que baja por un plano inclinado con rozamiento, la energía mecánica inicial, la energía perdida a causa del rozamiento y la velocidad final.
En Ejercicios y problemas se incluye un número de ambos para comprobar y consolidar los conocimientos adquiridos en la unidad y aplicarlos a nuevas situaciones. Estos ejercicios van acompañados de la solución para favorecer el proceso de autoevaluación.
Prácticas de laboratorio
Para el trabajo experimental y como complemento de los contenidos procedimentales y actitudinales, se recomienda la realización de la práctica
Conservación de la energía mecánica.
• Explicar el significado de trabajo mecánico y su relación con la energía, y calcular el trabajo de una fuerza en distintas situaciones: una fuerza constante, un sistema de fuerzas y una fuerza variable.
• Calcular la energía cinética de un cuerpo en movimiento y la energía potencial gravitatoria de un cuerpo situado a cierta altura. Aplicar el teorema de las fuerzas vivas para aplicar el incremento de velocidad de un cuerpo sobre el que actúa una fuerza.
• Resolver problemas de dinámica aplicando el principio de conservación de la energía mecánica.
• Relacionar mediante fórmulas matemáticas las siguientes magnitudes: energía potencial electrostática, potencial eléctrico, diferencia de potencial y trabajo.
• Confeccionar una lista de aparatos y utensilios de uso habitual (lavadora, secador de pelo, equipo musical) y consultar las especificaciones técnicas de éstos para indicar la potencia desarrollada por cada uno de ellos. • Formar grupos de trabajo y debatir los siguientes temas:
— La necesidad de la energía para el funcionamiento de la sociedad actual y la utilización de las fuentes de energía.
— Los elementos que deberían incorporarse a la propia localidad para fomentar el ahorro energético y reducir la contaminación.
UNIDAD 8. Energía térmica